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花开并蒂，基迪奥客户在植物花器官发育研究中的重大发现！

花匠小妙招
2024-12-15 02:56

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植物的各项器官在其整个生长周期中扮演着不可或缺的角色，尤其在被子植物中，具备繁育后代功能的花部组织，其发生、发育过程对植物的传粉和受精具有极其重要的意义。植物也对应演化出了雌雄同株、雌雄异株，雌雄蕊空间差异分布等现象，而影响这些表型差异的分子调控机制是哪些？植物为何会进化出复杂的花部特征？这些也是相关学者不断追思的问题。

近期，基迪奥合作客户在这方面有了重大发现。一篇是华南农业大学联合重庆大学共同研究的，以实验驱动为主的《 SIHB8 调控番茄绒毡层发育和花粉壁形成的分子机理》。另一篇是海南大学热带作物学院探索的，基于多组学关联探究《槟榔花性别调控分子机制》。相关文章也已在《 Horticulture Research 》《 New Phytologist 》中发表，真心为老师实力打call。再次祝贺老师们在各自的领域中又有了新的收获！

这两篇文章也各有千秋，侧重点不同~小编愿称之为，转录组应用的两大经典代表：1.分子实验+RNA-seq；2.RNA-seq+其他组学的多组学关联分析。

第一篇是来自长期合作单位—华南农业大学研究团队，以分子实验为主，完美结合RNA-seq、DAP-seq结果，在番茄绒毡层发育和花粉壁形成中的一些新发现。

发表期刊： Horticulture Research 发表时间： 2022年8月合作单位：华南农业大学组学应用： RNA-seq、DAP-seq

研究背景

研究表明，绒毡层形成和退化异常，会导致花粉发育异常和育性降低。HD-zip III家族转录因子主要参与调控维管组织形成以及叶片的形态建成等，而其对番茄花器管中绒毡层形成的调节机制以及对花粉的发育调控机制仍不清晰。

研究结论

qPCR结果表明，隶属HD-ZIP III家族成员之一的 SIHB8 基因主要存在于番茄花部的花瓣、花萼片、雄蕊、心皮组织，且在雄蕊的发育过程中表达量不断降低。原位杂交结果表明，从小孢子母细胞到花粉成熟期，在小孢子和绒毡层细胞中均检测出 SIHB8 转录本。坐果成功后，子房中SlHB8表达量较授粉前有所增加，呈现出授粉依赖的表达模式。

当 SIHB8 缺失时番茄的坐果率，花粉活性、花粉管长度、花粉管萌发率均得到增加。而当其过量表达时番茄坐果率、果实大小、重量、种子数目显著下降。杂交实验、TCC花粉活力测定、花粉粒TEM扫描也表明， SIHB8 过表达出现花粉活力下降、雄配子体发育缺陷，且花粉发育缺陷始于单核小孢子中期（MUM）。TUNEL分析结果表明， SIHB8 早期过表达可导致绒毡层降解提前， SIHB8 对花粉发育的调控存在时空特异性。

图1 SIHB8 敲除/过表达对花粉活力和花粉形态影响

图2 透射电镜观察WT、 SIHB8 敲除、 p35s::SlHB8Ris 花粉不同发育阶段形态差异

图3 WT、 SIHB8 敲除、 p35s::SlHB8Ris 花粉绒毡层发育和程序性细胞死亡的形态学观察

作者进一步使用处于四分体（Tds，tetrad stage anthers）时期的花药样本进行转录组研究，发现 SIHB8 过表达，可显著上调SPL/NZZ（SPOROCYTELESS/NOZZLE）、绒毡层程序性细胞死亡保守遗传途径DYT1-TDF1-AMS-MYB80成员和花粉壁发育相关的基因丰度。DAP-seq、EMSA、双荧光素酶报告结果表明， SIHB8 可直接激活负调控绒毡层和花粉壁发育相关基因的表达。

图4 四分体时期WT-vs- p35s::SlHB8Ris 转录组数据分析

Tips

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第二篇是来自海南大学研究团队在植物科学一区TOP期刊上发表的利用多组学关联分析，探究槟榔花性别调控分子机制。

发表期刊： New Phytologist 发表时间： 2022年9月影响因子： 10.323 合作单位：海南大学组学应用： PacBio测序、HiC测序、ATAC-seq、RNA-seq、代谢组

研究背景

对于雌雄同序的棕榈科植物椰子和槟榔，其雄花位于花序顶端，雌花位于基部，且雄花早于雌花开放，这种雌雄异位，错峰开放的调控机制可避免植物本身自花授粉，提高基因多样性以增强环境适应性。然而，目前关于棕榈属物种雌雄花性别分化的分子机制研究较少。

研究结论

利用PacBio和HiC测序组装得到大小为2.73Gb的高质量槟榔参考基因组，并将31,406个基因注释到16条染色体中。ATAC-seq测序技术发现部分亚麻酸代谢、茉莉酸（JA）信号转导相关基因在FFs中具有特异的DNA可及性，且丰度更高。说明由于JA合成和信号转导相关基因的特异染色质调控区域开放，使得雌花中茉莉酸合成和信号转导相关基因的表达程度高。

图5 调控JA合成和信号转导相关peak在雌花中特异表达

代谢组数据表明槟榔花序中JA（茉莉酸）浓度出现从基部到顶部，由高到低的梯度分布模式。ATAC-seq、RNA-seq数据表明，低温会导致槟榔中JA含量的增加，进而降低花发育ABC模型中的B类转录因子，如：降低 AGL16、AP3、PIB、PIC 的表达以促进雌花器官的发育，使槟榔出现异常花序（HFs：相比于正常花序MFs，HFs在本应是雄花出现的位置发育出部分可育的两性花。）

图6 槟榔花序中JA从基部到顶部呈由高到低的梯度分布模式

图7 槟榔HFs、MFs中JA分布以及JA促进雌花器官发育

研究最后，利用共线性分析，在槟榔15号染色体上发现了一段长度约25M的相对保守的性别决定相关区段，该区段存在多个性别调控相关基因，如：一个细胞色素703（ CYP703 ）、 AMS、BiP 在MFs中特异性表达。这些基因在油棕、椰子等棕榈科植物中也呈现集中分布的趋势，暗示这一区段是棕榈科植物决定花器管性别分化的重要区段。

图8 槟榔花性别分化相关区段内基因的调控模型

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参考文献

[1] Caiyu W, Yang Y, Su D, et al. The SlHB8 acts as a negative regulator in tapetum development and pollen wall formation. Horticulture Research .2022 Aug.

[2] Guangzhen Z, Hongyan Y, Fei C, et al. The genome of Areca catechu provides insights into sex determination of monoecious plants. New Phytol. 2022 Sep 11.

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