责编 | 王一
植物从水生到陆生的进化使得地球生物圈变得更加丰富多彩，与低等藻类相比，陆生植物能够进行三维的生长，并且进化出了复杂而特殊的器官【1】。例如根系的进化使得植物可以附着土壤和吸收养料，提高了其在干旱环境中的存活能力；生殖结构的进化促进了植物远距离运输和传播种子，并且更加机智的进行受精活动【2,3】。基因的特异性表达在不同植物器官的建立和功能发挥过程中发挥重要作用【4,5】，但尚未被广泛系统的研究。通过对拟南芥和玉米等模式植物的研究，以及活细胞成像技术的进步，研究人员发现了钙离子信号在植物双受精活动中的重要作用【6】，但是我们对配子形成及其功能分子基础的认识还不够全面。目前研究基因的进化和功能主要通过分析基因组的数据进行，而单靠基因组数据无法揭示序列不同基因的功能，而且目前还没有对陆生植物中器官和组织特异性转录组进行过深入的比较分析。
近日，来自新加坡南洋理工大学、葡萄牙里斯本大学、德国科隆马普植物育种研究所等多个团队合作在植物学权威期刊Nature Plants杂志发表一篇题为Comparative transcriptome analysis reveals conserved programmes underpinning organogenesis and reproduction in land plants的研究论文，首次系统分析了多个代表性陆生植物的转录组，并且报道了数百个器官特异性的基因表达组。
本研究中，研究人员首先构建了10个在进化上具有代表性的植物的基因表达图谱，包括苔藓植物（小立碗藓）、地豆藓、石松卷柏、裸子植物（银杏和云杉）、被子植物的姊妹系（无油樟）、单子叶植物（水稻和玉米）和双子叶植物（拟南芥和番茄）。通过将公开的RNA-seq数据与EVOREPRO组织生成的fastq文件结合生成了表达矩阵。为了便于进一步分析，将解刨样本进一步分为十类：花、雄性器官、雌性器官、种子、孢子、叶、茎、顶端分生组织、根分生组织和根。考虑到器官和细胞特异性表达的基因通常在器官和细胞类型的建立和功能中发挥主要作用，研究人员计算了每个基因的特异性程度（SPM），进行了拟南芥植物本体注释（PO）测试等，发现这些基因的PO注释与所分配器官相互对应；分析比较不同植物中器官特异性基因所占的比例后，发现器官特异性基因是转录组的重要组成部分，其中雄性器官和根部样本的转录组相对专化性更高。
随后，作者探究了器官特异性的基因模式在不同物种间是否保守，采用Jaccard距离方法研究哪些器官特异性表达了类似的基因群集，结果显示，不同植物的不同器官中类似基因群集存在差异，研究人员选出器官特异性表达的类似基因群集进行下一步分析。为了调查类似基因群集的现象与这些基因的表达模式的关联性，作者使用了23个在系统发育学中有代表性物种的蛋白质组和来源于“一千个植物初级转录组”的物种树，用Orthofinder(v.2.4.0)获得同类基因群集并通过系统地层分类学（Phylostratigraphy）估计其年代，发现类似基因群集的分布存在相似性，多数类似基因群集位于进化分类节点且具有物种特异性。为了研究不同系统层中出现不同的表达趋势是否有差异，使用RNA-seq数据调查了至少两个物种的类似基因群集，发现一个有趣的模式，随着系统地层年龄的变小，类似基因群集变得越来越有器官特异性。随后，研究人员鉴定出每种器官的特异性的类似基因群集，并研究了他们在植物进化过程中出现的时间，发现在进化上古老的器官类似基因群集表现出更广泛的表达，年轻的器官则很少有古老的类似基因群集。动物体内的研究表明新基因倾向于优先在雄性生殖组织中表达【7】，本研究的数据显示雄性样本表达年轻基因的现象在植物界也是很普遍的。
为了更好的理解类似基因群集的损益和现有基因功能的共同选择对植物适应陆地环境的影响，研究人员首先分析了物种树每个进化节点中器官特异性的及普遍存在的基因富集或耗损，发现陆生植物分化前出现的基因，普遍存在基因富集，而定殖陆地时出现的基因，普遍存在基因耗损，同时叶片中特异性基因在进化节点和种特异性节点出现富集，而在种子植物的物种特异性节点中耗损。仔细分析不同器官中的差异性，器官特异性的遗传程序似乎存在于陆生植物分化之前的进化节点，单子代似乎具有更多基因家族增益的群体。基因的进化直接影响了功能的进化，研究发现大多数器官特异性类似基因群集出现在进化早期，在陆生植物分化和大多数器官建立之前。为了进一步分析是否具有器官特异性的类似基因群集比普遍表达的群集进化上的差异，研究人员计算了每个单拷贝群组的非同义替代和同义替代（dN/dS）的比值，同时分析了年代和群组进化的关系，发现了单子叶植物的进化速度似乎快于裸子植物，而裸子植物快于被子植物。
有性生殖是一个复杂的生命活动，从二倍体转化到单倍体，需要重新编程转录组。其中在二倍体开花植物中，有性生殖包括产生单倍体的雄配子和雌配子，通过授粉过程介导雄配子使雌配子受精，花粉通过花粉管将精细胞输送到子房，受精的胚珠在果实中长成种子。通过比较不同植物及雌雄器官的转录情况，结果显示雄性特征类似基因群集的数量较多，雄性特异性转录组的保守性较强，雌性特征类似基因群集数量较少，且雌性特异性转录组的保守性较弱。研究人员对花粉发育相关的基因表达数据进行了详细的分析，揭示了许多转录因子和激酶对花粉的生物发生和功能具有潜在的重要意义。最后，本研究还提供了一个在线数据库（见文后链接），该数据库可以浏览和比较分析来自13个不同植物孢子体/配子体来源的基因组和转录组的数据，进而用来鉴定功能丰富基因的保守共表达簇，可以用来发现功能相同的保守转录程序。
综上所述， 本研究首次对陆生植物进行大规模的基因组和转录组分析，研究了苔藓植物、维管植物、裸子植物和开花植物等10种植物的不同器官和配子的基因表达图谱，对这些图谱的分析比较确定了数百个器官和配子特异性的基因群集，揭示了大量进化上的遗传规律，为植物发育的进化研究提供了许多的数据，具有广泛且重要的参考价值。
参考文献：
【1】Jill Harrison, C. Development and genetics in the evolution of land plant body plans. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 372, 20150490 (2017).
【2】Menand, B. et al. An ancient mechanism controls the development of cells with a rooting function in land plants. Science 316, 1477–1480 (2007).
【3】Johnson, M. A., Harper, J. F. & Palanivelu, R. A fruitful journey: pollen tube navigation from germination to fertilization. Annu. Rev. Plant Biol. 70, 809–837 (2019).
【4】Borg, M. et al. Te R2R3 MYB transcription factor DUO1 activates a male germline-specifc regulon essential for sperm cell diferentiation in Arabidopsis. Plant Cell 23, 534–549 (2011).
【5】Favery, B. et al. KOJAK encodes a cellulose synthase-like protein required for root hair cell morphogenesis in Arabidopsis. Genes Dev. 15, 79–89 (2001).
【6】Denninger, P. et al. Male–female communication triggers calcium signatures during fertilization in Arabidopsis. Nat. Commun. 5, 4645 (2014)
【7】Begun, D. J., Lindfors, H. A., Kern, A. D. & Jones, C. D. Evidence for de novo evolution of testis-expressed genes in the Drosophila yakuba/Drosophila erecta clade. Genetics 176, 1131–1137 (2007).
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41477-021-00958-2
在线数据库：
www.evorepro.plant.tools
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