ROS稳态与细胞壁生物合成途径参与白桦雌花序发育的调控机制研究

推荐 为解析白桦雌花序发育调控机制，东北林业大学研究人员通过形态学和组织学分析结合转录组测序，发现活性氧（ROS）稳态在雌配子体发育初期起关键作用，而细胞壁生物合成相关基因在成熟胚囊阶段显著上调。研究揭示了ROS信号与细胞壁重塑协同调控生殖发育的新机制，为林木育种提供理论依据。

　　

论文解读
在植物有性生殖过程中，雌花序发育是一个复杂且精细调控的事件，涉及从大孢子发生到雌配子体成熟的多个阶段。然而，这一过程的具体分子机制在许多物种中仍不清楚，尤其是在白桦（Betula platyphylla）等林木中。为填补这一知识空白，东北林业大学的研究团队开展了系统研究，揭示了ROS稳态和细胞壁生物合成在白桦雌花序发育中的关键作用。

该研究通过组织学分析和转录组测序，发现白桦雌花序发育经历典型的多边形胚囊类型，包括大孢子母细胞（MMC）阶段和成熟胚囊（MES）阶段。在MMC阶段，ROS清除基因如BpGSTU17和BpAPX1显著上调，表明ROS稳态在此阶段对大孢子发生至关重要。而在MES阶段，ROS合成与清除基因如BpRBOHH和BpCAT3同时高表达，提示ROS信号可能参与胚囊成熟过程。此外，细胞壁生物合成相关基因如BpPAL、BpC4H和BpCESA在MES阶段显著上调，表明细胞壁重塑对胚囊结构稳定性的重要性。

为开展这项研究，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们从东北林业大学国家林木遗传育种重点实验室的繁殖基地采集白桦雌花序样本，确保覆盖不同发育阶段。然后，通过组织学分析，利用FAA固定液和石蜡包埋技术制备样本，并通过显微镜观察记录发育过程。转录组测序则采用MGIEasy Fast PCR-Free Enzymatic Library Preparation Kit构建文库，并使用DNBSEQ-T7平台进行测序。

研究结果表明，在白桦雌花序发育过程中，ROS稳态和细胞壁生物合成途径在不同阶段发挥独特作用。在MMC阶段，ROS清除基因的高表达维持了低水平的ROS环境，有利于大孢子发生。而在MES阶段，ROS合成与清除基因的共同上调可能通过信号传导调控胚囊成熟。同时，细胞壁生物合成相关基因的显著表达，特别是木质素和纤维素合成基因的上调，增强了细胞壁的机械强度，为胚囊的稳定提供了结构支持。

讨论部分强调了研究的重要意义。首先，该研究首次系统揭示了ROS稳态在白桦雌花序发育中的动态变化，特别是在MES阶段的双重调控作用，即ROS既作为信号分子又需维持平衡以防止氧化损伤。其次，细胞壁生物合成途径的激活与胚囊成熟紧密相关，表明细胞壁重塑是生殖发育的重要环节。这些发现不仅深化了对白桦生殖发育分子机制的理解，也为通过分子育种改良林木生殖性状提供了潜在靶点。

此外，研究采用的转录组测序和WGCNA分析方法为植物生殖发育研究提供了新思路。通过构建基因共表达网络，研究人员鉴定出多个关键基因模块，如与ROS稳态和细胞壁生物合成相关的模块，为后续功能验证和基因编辑提供了候选基因。

总之，该研究通过多组学联合分析，揭示了ROS稳态和细胞壁生物合成在白桦雌花序发育中的协同调控机制，为理解植物生殖发育的复杂过程提供了新视角，并为林木遗传改良奠定了理论基础。