广东农科院利用单细胞测序技术解析花生光暗形态转变的调控机制
花生（Arachis hypogaea L.）是一种“地上开花、地下结荚”的作物，这一独特生物学现象与重力响应、植物激素产生和光敏色素互作因子的基因表达密切相关。此外，花生属于子叶全出土的双子叶植物，其光暗形态建成直接影响顶端弯钩形成和下胚轴稳健生长，从而影响花生成苗壮苗。因此，破译花生幼苗在光照与黑暗环境下的单细胞转录组图谱，能够为解析花生组织器官与光暗诱导的形态发育变化提供科学线索。
2024年2月23日，广东省农业科学院作物研究所在花生光暗形态转变的单细胞基因表达谱中取得进展，相关研究结果以论文“ScRNA-seq reveals dark- and light-induced differentially expressed gene atlases of seedling leaves in Arachis hypogaea L.”发表于Plant Biotechnology Journal（中科院大类一区，IF=13.8）。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14306
该研究利用酶解法获得了黑暗与光照条件下花生幼苗（一周龄）叶片的原生质体细胞，结合10×Genomics微流控平台捕获了13409（黑暗黄化苗）和11296（光照绿苗）个单细胞进行scRNA-seq（Single-cell RNA-seq）测序，并构建了黄化苗与绿苗的单细胞基因表达图谱。利用细胞类型Marker基因将全部的细胞表征到10个细胞簇，并在单细胞层面鉴定到黄化与光照绿苗中存在6104个差异表达基因。随后的拟时轨迹和细胞周期分析结果表明，光照条件促进叶片细胞分化，而暗生长环境导致叶片细胞周期紊乱，绝大多数的细胞会处于S期。此外，该研究基于细胞层面对叶肉细胞群中的叶绿色合成通路进行解析，并鉴定到叶绿素合成关键酶PORA（protochlorophyllide reductase）在叶肉细胞中高度富集并抑制叶绿素合成。而表皮细胞再分群与内源激素检测结果表明光照可通过抑制生长素、乙烯、细胞分裂素等合成途径阻碍表皮细胞发育，其中鉴定到21个转录因子（如AHL17、ERF98、NAC2、WRKY31与ZAT11）参与植物激素通路进而调控表皮细胞发育。
花生暗形态与光形态的叶片单细胞基因表达图谱
最后重点解析了花生AT-hook转录因子AHL17的功能。AHL17编码蛋白定位于细胞核，含有典型的AT-hook与DUF296结构域，DAP-seq结果表明AHL17倾向于结合基因组AA(T)AAAATA保守基序。AHL17不论是在单细胞水平还是组织水平均在黄化的花生幼苗中表达量较高，过量异位表达AHL17能够促进植株生长，该基因具有调节多种激素的能力以促进植株生长发育。本研究构建的花生光暗幼苗的单细胞转录组图谱，为在单细胞水平上阐述光暗诱导叶细胞发育的分子机制提供了新的生物学观点。
AHL17调控植株叶片发育
近年来，广东省农业科学院作物研究所花生团队在全基因组重测序与单细胞测序等领域取得了诸多进展。基于390份花生重测序与重要农艺性状的功能基因挖掘近期发表于Nature Genetics （Lu et al., 2024）；基于原生质体系统（活体单细胞）构建了花生单细胞基因表达图谱（Liu et al, 2021）；基于单细胞核分离（single-nuclei isolation）捕获技术构建了花生单细胞转录组图谱与染色质可及性图谱，即植物同胞多组学（Liu et al, 2024）。单细胞测序研究方面，团队的目标是于“十四五”期间构建完整的花生细胞图谱。
广东省农业科学院作物研究所为第一单位，作物研究所邓权清博士、洪彦彬研究员、联合培养博士生杜普旋（华中农业大学）、Sunil S. Gangurde博士（国际热带半干旱作物研究所）为论文的共同第一作者，澳大利亚莫道克大学的Rajeev K. Varshney教授，作物研究所的梁炫强研究员、陈小平研究员、刘浩副研究员为论文的共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、广东省重点研发现代种业项目、“十四五”揭榜挂帅制十大育种主攻方向计划、国家自然科学基金、国家花生产业技术体系、省自然科学基金以及作物研究所所长基金等项目的资助。
参考文献
Qing Lu#, Lu Huang#, Hao Liu#, Vanika Garg, Sunil S. Gangurde, Haifen Li, Annapurna Chitikineni, Dandan Guo, Manish K. Pandey, Shaoxiong Li, Haiyan Liu, Runfeng Wang, Quanqing Deng, Puxuan Du, Rajeev K. Varshney*, Xuanqiang Liang*, Yanbin Hong*, Xiaoping Chen*. A genomic variation map provides insights into peanut diversity in China and associations with 28 agronomic traits. Nature Genetics, 2024, https://doi.org/10.1038/s41588-024-01660-7.
Hao Liu#, Dongxiu Hu#, Puxuan Du#, Liping Wang, Xuanqiang Liang, Haifen Li, Qing Lu, Shaoxiong Li, Haiyan Liu, Xiaoping Chen*, Rajeev K Varshney*, Yanbin Hong*. Single-cell RNA-seq Describes the Tranome Landscape and Identifies Critical Tranion Factors in the Leaf Blade of the Allotetraploid Peanut Plant (Arachis hypogaea L.). Plant Biotechnology Journal, 2021,19: 2261-2276.
Hao Liu#, Zhenhua Guo#, Sunil S Gangurde#, Vanika Garg, Quanqing Deng, Puxuan Du, Annapurna Chitikineni, Yuan Xiao, Wenyi Wang*, Yanbin Hong*, Rajeev K Varshney*, Xiaoping Chen*. A Single-nucleus Resolution Atlas of Tranome and Chromatin Accessibility for Peanut (Arachis hypogaea L.) Leaves. Advanced Biology, 2024, 8(1):e2300410.
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14306
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