【文献分享】兰花空间转录组
植物空间转录组的文章其实并不多，除了前面分享的一篇华大做的拟南芥叶片的之外，这个可能是我看到的第二篇。所以，今天简要分享这篇发表在NAR上面的，复旦大学做的一个工作。
我们都知道，对于植物来说，花的生长和发育有着复杂的调控机制。很多基因在花的不同部位和发育阶段都有着比较特异的功能。对于很多高等植物来说，花一般可以分为四层结构,从外向内依次是萼片（calyx）、花瓣（petal）、雄蕊（stamen）和心皮（carpel）。一般调控花结构发育的就是典型的“ABC”模型，MADS-box基因家族在其中起着非常重要的作用。我们通常所熟知的开花相关的几个基因几乎都是这个家族的成员。
空间转录组技术的出现使得基因表达的空间定量测量成为可能，为关联花发育的复杂网络与全基因组分子表型搭建了桥梁。
======实验设计========
总共做了三张切片。从时期上覆盖了蝴蝶兰花序分生组织存在到接近成熟的花器官的大部分早期发育阶段。例如slide 1主要是包含早期发育阶段主要是5号（柱原基出现）和6号花苞（花粉块形成）。slide 2（7号花苞（lip和column foot形成））和3（8号花苞（花器官成熟））主要包含独立的花苞。
========实验结果=======
1. 兰花花器官早期发育的空间转录组测序和细胞类型鉴定
从数据质量来看，大约获得了194-199million reads，基因组比对率在85%左右，大约50%比对到转录本上。
然后作者利用他们自主开发的STEEL算法，对三个数据进行分析。例如第一个sample可以将空间转录组数据清晰地分为40个clusters（上图B、下图C）。其中，花被片、唇瓣和花柱组织中的beads聚类性较好，且与相应的组织形态学检测的观察结果高度一致。
总之，三张切片的空间转录组共检测到14,328个基因的表达，其中有3,817个基因被鉴定为特异性一个或多个组织中表达，为后续详细分析从分生组织细胞到分化后细胞的细胞类型变化提供了分子图谱。
2. 早期花原基的分生组织细胞，随后分化为营养细胞和生殖细胞
通过查看不同的发育时期，作者发现直到第4花芽的时期，tepals和lip才被一些特异表达的基因鉴定出来，例如AtGPR7。而以cluster19,21,40为代表的分生组织，不管是从花被、唇和柱等出现在较大的花蕾时期（花蕾5/6），还是形态接近完成的时期8，都起着关键的支撑作用。
因此，作者为了研究从分生组织细胞（cluster 19,21,40）到营养细胞（tepal和lip，cluster 37,39）和生殖细胞（column，cluster 38）的分化过程，把这几个cluster单独拿出来做了轨迹分析（下图B/C）。从轨迹分析来看，是可以明显分为2条路的：一条是包含营养细胞的的，而另外一条则是包括生殖细胞（其中作者又highlight了影响花药的关键的5个MADS家族基因上图A）。接着，作者又鉴定了在发育轨迹上明显差异表达的基因，共鉴定出4685个基因与发育时间相关，分别在分生组织、营养细胞、生殖细胞中呈现选择性的高表达模式（下图D）。这些基因GO富集分析表明在功能上多与生长素和细胞分裂素信号途径相关，推测在花原基的形成和器官分化中扮演重要角色（下图E）。除了已知的MADS基因，作者又highlight了6个与发育轨迹吻合度较高的基因，例如：AUX2-11，ANT，LFY，PDF2等。
3. MADS-box基因的空间表达分布说明了决定兰花花部器官的ABC code
作者前面说了发现MADS家族在生殖细胞的形成过程中发挥的重要作用。因此为了探索兰花中是否有特异的成员，他们对7种被子植物的MADS-box基因进行了系统发育分析。在蝴蝶兰中，共有21个ABCDEG类MADS-box基因中，其中有15个基因在空间转录组数据集上检测到表达信号，且在不同组织部位呈现出优先或特异的表达模式。其中，AP3-like和PI-like基因(B类基因)均在花被片、唇瓣和花柱的原基中表达。特别是PAXXG070630在花柱顶端组织周围表现出梯度表达信号，其中单个spot点表达量最高，其周围细胞的表达信号随着离中心spot点的距离增大而减弱，表明花药在发育的这一阶段是从单个spot点开始的。AG-like（C类基因）的空间表达谱上也存在类似的情况，为花药的器官发生提供了进一步的证据。而AP1-like基因（A类基因）优先表达于分生组织中或广泛表达于各器官中，AGL6-like（G类基因）则在唇瓣和花被片中特异表达。
4. 持续激活的分生组织细胞群参与tepal的形成
根据形态学观察，作者发现Tepal primordium，在bud 3 时期开始，在bud 4时期拉长。但是在bud 4期间，因为tepal和lip primordium在表达上高度同源，所以被分成了一个cluster。在 bud 5时期，tepal有一些非常明显的G功能基因的信号。所以接着，作者选取bud 6时期的tepal进行分化分析，因子这个时期的tepal比bud 5时期大很多，包含了4个cluster：2个偏分生组织的（cluster22,27）和2个偏营养组织的（cluster1,2）。轨迹分析表明tepal发育始于基底分生组织细胞（cluster 22），其次是27的细胞，然后是晚期（cluster 1） ，早期（cluster 2）分化的tepal细胞（下图A）。并且估计的分化时间和在薄片上的距离高度相关（下图B/C）。接着，在分生组织细胞群、分化早晚不同的被片细胞中共检测到987个基因，并显著富集在蛋白质合成、光合作用和细胞壁合成等相关途径上（下图D/E）。
5. anther的起始发育和随后多种细胞类型的分化
相较于一些营养组织细胞，花药的发育起始时间更晚，过程也更为复杂。从观察来看，从5号花苞中的小细胞团发展为6号花苞中花药原基和营养组织，再到7号和8号花苞中的花粉粒、花药顶端组织，蕊喙和粘盘等结构（下图A）。为了进一步探索花药发育的动态规律，在bud 6和bud 8上的anther primordium/pollinium上鉴定出了1683个特异表达的基因。从下图B可以看出，在bud5和bud8中特异表达的基因是123和141个。但是，大多数大约1294个，约76.9呈现出了从bud5到8降低的趋势。然后作者又highlight了部分基因的表达趋势。总的来说，花药的营养组织在早期往往有相似的基因表达式样，特异性表达基因较少，但在发育后期经历了迅速的组织分化和形态发生过程。
紧接着，除了MADS家族，作者探索在时空转录组数据下，其它基因家族，例如bHLH，ARF,AUX/IAA,cytokinin-responsive gata factor等在兰花中的复制和进化情况，发现在兰花花的发育过程中基因复制增加了转录调控的复杂性。
本文使用 文章同步助手 同步
