编辑推荐：
为探究植物体细胞胚胎发生（SE）中个体发育与系统发育的关系，克罗地亚研究人员开展葡萄 SE 研究。他们发现葡萄 SE 有 “沙漏” 状发育轨迹，且或为植物原始胚胎程序，该成果对理解植物胚胎发育进化意义重大，值得一读。
在奇妙的生命世界里，多细胞真核生物的个体发育（ontogeny）常常会留下宏观进化（macroevolution）的痕迹。就像在胚胎发育过程中，基因表达的变化和进化之间似乎有着千丝万缕的联系。科学家们发现，在动物和植物的胚胎发育过程中，存在一种有趣的 “沙漏模型” 现象，也就是在发育的特定阶段，基因表达会呈现出一种特殊的模式，这个阶段的基因表达在进化上更为保守，就像是沙漏的腰部，两头宽中间窄，这就是发育 - 进化的 “沙漏” 模式。
之前，科学家在拟南芥（Arabidopsis thaliana）的合子胚胎发生（zygotic embryogenesis，ZE）过程中发现了这种 “沙漏” 模式。但是呢，植物的发育可不止这一种方式，还有体细胞胚胎发生（somatic embryogenesis，SE）。体细胞胚胎发生是指植物胚胎可以从除受精卵以外的细胞发育而来，这是植物特有的一种神奇的发育方式。然而，直到现在，植物发育过程中这种发育和进化之间的联系，也就是发育 - 进化的 “沙漏” 模式，仅仅在拟南芥的合子胚胎发生过程中被研究过，在其他植物物种或者其他发育途径中是否存在，还是个未知数。
而且，虽然科学家对合子胚胎发生的转录组研究比较多，但在合子胚胎发育受精后的最初几步，由于胚胎深深嵌入母体组织，很难获取样本，所以对这部分的分子机制了解甚少。相比之下，体细胞胚胎发生在任何发育阶段都更容易获取样本，而且还能实现植物的克隆繁殖，本应是研究植物胚胎发育的好模型。可现有的关于体细胞胚胎发生的转录组研究，要么只关注了单个或少数几个发育阶段，要么 RNA 样本来自不同发育阶段的混合，无法清晰地呈现发育过程中的转录轨迹，也就没办法用来研究发育 - 进化的关系了。
为了搞清楚这些问题，克罗地亚的研究人员在《Communications Biology》期刊上发表了一篇名为 “A transcriptomic hourglass in grapevine somatic embryogenesis suggests its primordial origin” 的论文。他们通过研究，发现葡萄（Vitis vinifera）的体细胞胚胎发生过程中存在明显的 “沙漏” 状发育轨迹，而且这个模式比之前在拟南芥合子胚胎发生中发现的模式更符合理论预期，这表明体细胞胚胎发生很可能是植物中一种原始的胚胎发生程序。
在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是构建了葡萄 “Malvasia Istriana” 的体细胞胚胎发生诱导系统；二是对 12 个不同发育阶段的体细胞胚胎进行 RNA 测序（RNAseq）；三是运用系统发育地层学（phylostratigraphy）和系统发育转录组学（phylotranscriptomics）的方法，将基因表达数据与进化信息相结合进行分析。
下面来看看他们的研究结果：
全球表达谱沿体细胞胚胎发生过程的变化
研究人员先开发了一种高效的葡萄体细胞胚胎发生诱导系统。这个系统用未成熟花药作为起始材料，通过三种不同的培养基和光照条件，模拟胚胎发育和萌发过程，成功收集到了涵盖诱导期、胚胎期和胚后期发育的 12 个体细胞胚胎发育阶段的样本，这可是目前最完整的体细胞胚胎样本集呢。
通过 RNAseq 技术对这些样本的转录组进行分析，研究人员发现几乎所有的基因在体细胞胚胎发生的某个阶段都会转录，这说明体细胞胚胎发生可不是合子胚胎发生的简单衍生品，而是一个需要动用所有可用遗传信息的完整发育过程。进一步研究还发现，很多基因在不同发育阶段的表达都有变化，通过计算成对表达相关性，研究人员把体细胞胚胎发生的发育轨迹分成了五个表达阶段。而且，主成分分析（PCA）结果显示，这个发育过程是按照时间顺序有序进行的，不过在子叶期 1（C1）阶段，样本间的表达差异比较大，可能是因为这个阶段处于黑暗环境，细胞面临着光合作用不足和生长需求的矛盾，就像人在饥饿时会有不同的反应一样。
体细胞胚胎发生的个体发育 - 系统发育相关性
研究人员把 12 个发育阶段的转录组表达值和葡萄基因的进化年龄联系起来，计算转录组年龄指数（TAI）。结果发现，葡萄体细胞胚胎发生的 TAI 呈现出明显的 “沙漏” 形状。在发育早期，比如早期诱导期（EI）和预球形期（PG），表达的转录组比较年轻；到了心形期（H），转录组最古老；之后随着发育，转录组又逐渐变得年轻，到子叶期 2（C2）时最年轻；再往后的胚后发育阶段，转录组又慢慢变老。
为了验证这个 “沙漏” 模式的稳定性，研究人员用不同的 e 值阈值重新计算 TAI，结果发现这个模式非常稳定，这说明它有着很强的宏观进化印记。而且，通过分析不同系统发育层级（phylostrata）基因的表达，研究人员发现不同时期起源的基因在体细胞胚胎发生的不同阶段发挥着重要作用。比如，起源于细胞生物时期的基因在心形期和幼苗期表达量较高，而起源于真双子叶植物（Eudicots）到葡萄这段时间的基因，在体细胞胚胎发生的开始和结束阶段表达量较高。
此外，研究人员还计算了葡萄和亚利桑那葡萄（V. arizonica）直系同源编码序列的差异率，发现转录组非同义差异指数（TdNI）和转录组同义差异指数（TdSI）也呈现出 “沙漏” 模式，而且和 TAI 模式很相似，这说明在不同的进化尺度上可能有相似的力量在起作用。同时，转录组密码子偏好指数（TCBI）表明，心形期和幼苗期表达的基因密码子使用偏好最强。把这些结果和拟南芥合子胚胎发生的 TAI 模式对比，虽然两者形状相似，但拟南芥在鱼雷期表达的转录组最古老，和葡萄体细胞胚胎发生的心形期不同。不过有趣的是，葡萄体细胞胚胎发生的胚后发育阶段 TAI 值下降的模式，和动物胚后发育很相似。
功能趋势
研究人员对不同发育阶段上调基因进行 GO 功能富集分析，发现每个阶段都有特定的功能富集，这说明体细胞胚胎发生过程中的功能转变依赖于广泛的转录调控。比如，“体细胞胚胎发生” 这个功能在早期诱导期显著富集，研究人员进一步分析了相关基因的表达轨迹，发现其中五个基因在早期诱导期和预球形期表达量最高，之后逐渐降低。像AGL15、FUS3和IAA30这些基因，在促进体细胞胚胎发生中都起着重要作用。
在后期胚胎和胚后发育阶段，与代谢、生物合成和光合作用相关的功能显著富集，这也符合常理，因为植物生长需要能量，而这些过程都和能量产生有关。研究人员还发现，表观遗传调控相关的功能在早期诱导期和心形期显著富集，通过实验验证，他们发现 DRM 类甲基转移酶对拟南芥和葡萄的体细胞胚胎发生诱导能力有影响。另外，压力响应相关的功能在多个阶段都有富集，不同的压力响应基因在不同阶段发挥作用。心形期则有很多与胚胎发育相关的功能富集，这表明心形期是胚胎发育的关键时期。后期发育阶段，与光合作用相关的功能富集，相关基因的表达量在胚后发育过程中持续增加。
最后，来总结一下研究结论和讨论部分。研究人员开发的葡萄 “Malvasia Istriana” 体细胞胚胎发生诱导系统，解决了之前研究中存在的样本获取和发育同步性等问题，是一个非常有用的植物体细胞胚胎发生研究模型。通过这个模型，研究人员发现葡萄体细胞胚胎发生存在 “沙漏” 模式，而且这个模式比拟南芥合子胚胎发生的模式更能反映植物胚胎发育的祖先模式，这意味着体细胞胚胎发生可能是植物中更原始的胚胎发生程序。
从进化的角度来看，植物和动物虽然是独立进化出多细胞性的，但它们的胚胎发生在系统层面上有很多相似之处，都存在 “沙漏” 模式。不过，目前还不清楚是什么进化力量导致了这些相似性。在动物中，已经有研究尝试解释 “沙漏” 模式的进化机制，但在植物中相关研究还比较缺乏，而且植物的机制可能更复杂。不管怎样，这项研究让我们对植物胚胎发育的进化有了更深入的理解，为后续研究植物发育和进化的关系提供了重要的基础。
