油菜籽发育时空转录组与蛋白质组图谱揭示种子形成分子机制

本研究针对油菜(Brassica napus)种子发育过程中转录与蛋白调控网络不清的问题，通过整合时空分辨的转录组(mRNA-seq)和蛋白质组(LC-IMS-MS/MS)数据，构建了涵盖5个发育阶段、4种组织器官的多组学图谱。研究在IPK PhenoSphere模拟田间条件下培育高油品种Express 617，鉴定到57,273个表达基因和12,200个蛋白组，揭示了胚胎分化与贮藏物质积累的分子轨迹，为改良种子品质提供关键靶点。

　　

油菜作为全球重要的油料作物，其种子富含油脂和蛋白质，但关于种子发育过程中时空特异的基因表达与蛋白质调控网络仍存在巨大知识空白。尽管拟南芥等模式植物的种子发育研究已取得进展，但油菜种子在大小和贮藏物质组成上与拟南芥存在显著差异。现有研究多聚焦单一组学层面，缺乏整合时空分辨率的多组学数据，难以揭示从基因到表型的完整调控机制。

德国莱布尼茨植物遗传与作物研究所(IPK)的Dominic Knoch团队在《Scientific Data》发表了题为"A spatio-temporal transcriptomic and proteomic dataset of developing Brassica napus seeds"的研究。该工作通过冬季品种Express 617在IPK PhenoSphere模拟田间环境的栽培体系，采集5个发育阶段(预贮藏期至成熟期)和4种组织(种皮、内外子叶、胚根)样本，采用配对样本策略同步进行109bp双端RNA测序(NovaSeq 6000平台)和基于timsTOF Pro的离子淌度质谱分析，构建了目前最全面的油菜种子发育多组学图谱。

关键实验方法

1. 田间模拟栽培：在IPK PhenoSphere容器系统中重现12年历史气象数据，通过分区聚类算法模拟典型生长季的光温湿度波动
2. 时空采样：按Borisjuk分期标准采集5个发育阶段种子，从阶段2开始显微解剖4种组织，每组合3个生物学重复(各含250-500粒种子)
3. 多组学检测：采用改良SP3法提取蛋白，UPLC耦合timsTOF Pro进行DDA PASEF模式采集；RNA-seq使用Illumina Stranded RNA Prep建库
4. 数据分析：Hisat2比对Darmor-bzh v10基因组，MaxQuant搜索蛋白组，PCA和聚类分析揭示时空表达模式

主要研究结果
转录组与蛋白质组覆盖度
鉴定到57,273个表达基因(占基因组53%)和12,200个蛋白组，其中5,931个明确单一蛋白。核心基因集(18,184个)在所有组织阶段均表达，而成熟期特有基因2,683个。蛋白检测受贮藏蛋白积累干扰，晚期阶段定量蛋白数减少30%。

发育阶段特异性
PCA显示三个阶段簇：阶段1全种子与阶段2-4种皮聚为一类；阶段2-4胚胎绿色组织形成第二簇；所有阶段5样本独立成簇，反映成熟期脱水相关的转录重编程。

组织特异性
子叶组织(IC/OC)在中期贮藏阶段(阶段3)呈现最高光合活性基因表达，而胚根(RA)在晚期(阶段4)表现出显著的代谢转换特征。种皮(SC)在整个发育过程中维持独特的转录模式，与母体组织功能一致。

多组学相关性
LFQ蛋白与tpm转录本在多数样本中Pearson相关系数>0.8，但贮藏阶段(阶段4)出现显著解耦现象，提示翻译后调控机制参与贮藏蛋白积累。

讨论与意义
该研究首次在时空维度上整合了油菜种子发育的多组学数据，揭示了三个关键生物学过程：(1)胚胎模式形成阶段(阶段1-2)的转录因子网络通过WUSCHEL相关基因驱动器官发生；(2)贮藏启动阶段(阶段3)脂质合成基因(如DGAT1)与淀粉代谢酶在子叶中协同上调；(3)成熟脱水阶段(阶段5)LEA蛋白和蛋白酶体组分特异性富集。

数据集为解析多倍体作物复杂发育程序提供了范式：一方面可通过共表达网络挖掘调控贮藏物质合成的关键转录因子(如LEC1、FUS3)；另一方面为比较基因组学提供资源，揭示芸薹属与拟南芥的进化分歧。研究建立的PhenoSphere模拟栽培-显微解剖-多组学整合技术体系，未来可扩展至逆境响应研究，为分子设计育种提供靶点。数据已通过ArrayExpress(E-MTAB-14603)和PRIDE(PXD053532)公开，包含原始数据与标准化矩阵，支持差异表达、网络建模等分析流程。