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Plant Reproduction:单、双子叶模式植物(短柄草 v.s. 拟南芥)胚胎发生的时序比较转录组分析

已有 306 次阅读 2021-5-11 08:56 |个人分类:每日摘要|系统分类:论文交流

Conserved, divergent and heterochronic gene expression during Brachypodium and Arabidopsis embryo development

第一作者Zhaodong Hao

第一单位荷兰瓦赫宁根大学

通讯作者Dolf Weijers


 Abstract 


背景回顾Embryogenesis, transforming the zygote into the mature embryo, represents a fundamental process for all flowering plants. Current knowledge of cell specification and differentiation during plant embryogenesis is largely based on studies of the dicot model plant Arabidopsis thaliana


提出问题:However, the major crops are monocots and the transcriptional programs associated with the differentiation processes during embryogenesis in this clade were largely unknown.


主要研究:Here, we combined analysis of cell division patterns with development of a temporal transcriptomic resource during embryogenesis of the monocot model plant Brachypodium distachyon


结果1-细胞分裂模式:We found that early divisions of the Brachypodium embryo were highly regular, while later stages were marked by less stereotypic patterns. 


结果2-时序比较转录组1:Comparative transcriptomic analysis between Brachypodium and Arabidopsis revealed that early and late embryogenesis shared a common transcriptional program, whereas mid-embryogenesis was divergent between species. 


结果2-时序比较转录组2Analysis of orthology groups revealed widespread heterochronic expression of potential developmental regulators between the species. 


结果2-时序比较转录组3Interestingly, Brachypodium genes tend to be expressed at earlier stages than Arabidopsis counterparts, which suggests that embryo patterning may occur early during Brachypodium embryogenesis. 


结果3-生长素相关基因:Detailed investigation of auxin-related genes shows that the capacity to synthesize, transport and respond to auxin is established early in the embryo. However, while early PIN1 polarity could be confirmed, it is unclear if an active response is mounted. 


结论:This study presents a resource for studying Brachypodium and grass embryogenesis and shows that divergent angiosperms share a conserved genetic program that is marked by heterochronic gene expression.


 摘 要 


胚胎发生,即指从合子到胚胎成熟的发育过程,是所有有花植物一个至关重要的生物学进程。目前,我们对于植物胚胎发生过程中细胞特化和分化的了解,大多局限于双子叶模式植物拟南芥。但是,全球范围内主要的作物属于单子叶植物,而这一类植物胚胎发育过程中与细胞分化相关的转录程序在很大程度上还是未知的。本文中,作者对单子叶模式植物短柄草(Brachypodium distachyon)的胚胎发生进行了深入研究,尤其是对其细胞分裂模式和时间序列转录组进行了综合分析。作者发现短柄草胚胎发生早期的细胞分裂具有规律性,而后期的细胞分裂暂时还未发现比较典型的模式。通过对短柄草和拟南芥胚胎发生的时序比较转录组分析,作者发现这二者在胚胎发生的早期和后期具有类似的转录程序,但是胚胎发育中期的转录程序差异很大。通过对同源基因群的分析发现,短柄草和拟南芥的潜在发育调控因子同源对之间存在广泛的异时性表达。有趣的是,作者发现在很多同源基因对中,短柄草中的同源基因相比于拟南芥要在更早的胚胎发生时期表达,说明短柄草胚胎发生过程中胚胎模式建成在很早就已经开始。此外,作者进一步对生长素相关的基因进行了深入分析,结果发现短柄草早期胚胎发生阶段,与生长素合成、转运以及响应相关的基因就已经开始表达。虽然,作者发现BdPIN1在早期胚胎发生阶段就存在极性,但是缺少进一步的实验证据,作者并不清楚这是否代表了短柄草胚胎发生早期生长素响应就比较活跃。本文的研究提供了一个研究短柄草和禾本科草类作物胚胎发生的资源,并且发现不同的被子植物类别可能共享了一套比较保守的遗传程序,不过基因表达存在异时性。


 文章结构 


1. 短柄草胚胎发生模式及取样示意图

1.jpg

A-F是光学显微镜;G-M是扫描电子显微镜;N-U是激光共聚焦显微镜;V是我根据前面的照片用AI画的模式图。本研究前期的取样工作和RNA-seq是由Raju团队提供,原本样本分为二细胞或四细胞期(TCQ)、原胚(PEM)、转变期(TRA)、叶早、中和晚期(LEE、LEM和LEL)以及成熟期(MAT)7个时期,后来娟姐(二作)觉得LEE和LEM差距有点大,然后根据胚胎大小有重新补了两个时期的样,E180和E400,E400对应LEM时期的胚胎大小,最长在400微米左右,而E180则是介于LEE和LEM之间,PCA图也支持这一发育轨迹。


2. 短柄草胚胎发生早期细胞分裂模式

2.jpg

这部分主要是娟姐的工作,利用激光共聚焦显微镜+MorphographX软件构件了短柄草胚胎发生早期的3D图,可以观察其早期的细胞分裂模式。(这个看pattern有点玄学了,因为看上去很不规整,尤其是跟拟南芥对比着看,但是个人看的会有点自己的体会,做发育做的多了,可能对这张图会有自己的理解,尤其是E图,这个时候背腹性已经大概形成了。)


3. 短柄草和拟南芥胚胎发生时序比较转录组1

3.jpg

首先是两个PCA plot,拟南芥的数据来自于两篇已发表的文章,数据整合到一起做的分析。C图和D图分别是根据PCA图获得的pseudotime,方法参考的一篇Current Biology的文章(doi:10.1016/j.cub.2019.08.044),不过那篇文章样本比较多,可以在PCA图上作出拟合曲线,然后把每个样本点根据最短距离投射到曲线上,再根据样本在曲线上相互之间的顺序与距离,构建了一个拟发育轨迹,然后标准化一下,得到pseudotime。我这边由于样本量比较少,简化了一下,直接取的样本重复中心值之间的距离,然后标准化获得pseudotime,但是发育轨迹还是比较清楚的,说明取样的时间的确是沿着发育轨迹取的,有的时候取样时间点太密集,据需要根据PCA图重新给样本赋予一个拟发育轨迹上的新位置。另外E图是根据同源基因对的相对比较量,简单聚类获得的图,可以大致看出来拟南芥和短柄草之间可以根据三个阶段进行聚类,但是每个阶段内由于物种差异性太大,并不能一一对应时期。最后的F图是将每个基因在发育轨迹上做拟合曲线,然后重新分成1000份,然后做个简单的correlation就可以得到,可以看出拟南芥和短柄草的胚胎发育过程中,早期和晚期都被一个中期给隔开了。


4. 短柄草和拟南芥胚胎发生时序比较转录组2

4.jpg

这边是将发育过程中的差异表达基因分成3类,早期、中期以及晚期高表达基因,这个方法参考了一篇Nature的文章(doi:10.1038/nature16994)。从F-H可以看出,拟南芥和短柄草胚胎发生早期和晚期具有相似表达模式的同源基因比较多,而中期的比较少。然后用Y叔的GESA包对各种基因集进行了富集分析。


5. 短柄草和拟南芥胚胎发生时序比较转录组3

5.jpg

这边主要是做了个phasigrams分析,参考了以上两篇文章,就是按照发育轨迹,把基因按照表达的先后顺序排开,可以看出基因大概是在什么时候开始表达的,通过比较两者之间,接可以看出同源基因相比表达时间的先后。右边的图是动态表达,因为有的时候基因表达有早有晚,但是整体表达趋势相似,所以借助这个分析方法就可以鉴定这些基因在整个发育进程中表达模式相似性,而不考虑表达的先后,用的是R包dtw。这边可以看出很多homeobox基因在短柄草中很早就开始表达,而在拟南芥中,则是在中后期才开始表达。另外,右边的图根据拟南芥中的研究结果,挑选了各种细胞类型的标记基因,比如SAM中的WUS和RAM中的WOX5等,查看了其在二者之间的表达模式。


6. 生长素相关基因的表达模式与验证

6.jpg

7.jpg

这边主要是鉴定了与生长素相关的基因,包括合成、转运以及信号转导,一是考虑到生长素在植物胚胎发育中发挥重要作用,另外毕竟Dolf实验室,对于这方面的基因比较有敏感性。其实,我们还克隆了几乎所有WOX基因家族WUS clade基因的启动子,但是最后转进去之后发现载体有问题,没有结果,所有这边只是展示一些PIN相关的表达模式(这些载体是别人发表的文章里的,娟姐写信过去要过来的,然后做的转基因,看表达pattern)。


p.s. 本文是我在荷兰瓦大Dolf实验室待的一年的工作,其中半年做分析,半年做实验,实验部分基本全军覆没了,幸亏娟姐还有存货,不至于实验部分没啥内容。最后还有Dolf的论文润(chong)色(xie)加持,虽然发表的杂志影响因子不高,不过觉得这一套分析方法还是值得参考的,毕竟我也是参考的Current Biology、Nature这种大神级别杂志文章的方法,对于时间序列比较转录组的分析来说,这一套方法还是比较合适的,但是这个比较适合比较两个不同的物种,至于同一物种,不同处理的时间序列比较可能得用其他的方法,不过道理都是一样的,希望能够能给各位读者带来一些灵感。


 通讯作者 

** Dolf Weijers **


个人简介:

1997年,荷兰恩斯赫德,学士;

2002年,荷兰莱顿大学,博士;

2002-2006年,德国图宾根大学,博后。


研究方向以拟南芥早期胚胎会材料研究细胞如何获取其特性


doi: https://doi.org/10.1007/s00497-021-00413-4


Journal: Plant Reproduction

Published date: May 05, 2021


p.s. 通讯往期研究链接:

实验室介绍:Dolf Weijers Lab (荷兰瓦赫宁根大学)

PNAS:拟南芥中介导ARF转录因子结合的DNA元件结构基础

Nature Plants:苔藓植物地钱中的最小化生长素响应系统

Development:拟南芥胚胎发生早期维管组织特化的调控网络鉴定

Cell:动、植物细胞极性的共同起源

Developmental Cell:植物胚胎发生综述

Nature Plants:SOSEKI蛋白影响拟南芥植株整体极性

Plant Cell:bHLH转录因子调控网络介导拟南芥胚和胚柄发育

eLife:核生长素响应系统的起源与演化

Nature Plants:拟南芥早期胚胎动态转录组研究



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