甘蓝型油菜种子时空转录组图谱揭示亚基因组偏向性表达规律

本研究通过激光显微切割结合RNA测序技术，构建了甘蓝型油菜(Brassica napus)种子发育过程中的时空转录组图谱。研究人员发现母本来源的Cn亚基因组在种子发育过程中呈现全局性表达优势，特别是在早期发育阶段和母体组织中表现显著。研究揭示了chalazal增殖组织(CPT)独特的转录特征及其与珠心组织的发育关联，并发现种子贮藏相关基因存在亚基因组表达偏向性。该研究为理解多倍体植物种子发育的分子机制提供了重要见解。

　　

种子作为植物繁殖的关键结构，其发育过程涉及复杂的遗传调控网络。甘蓝型油菜(Brassica napus)作为重要的油料作物，是由白菜(B. rapa, AⁿAⁿ)和甘蓝(B. oleracea, CⁿCⁿ)杂交形成的异源四倍体。虽然对油菜种子发育的基因表达已有一定了解，但关于不同细胞和组织中亚基因组偏向性表达的研究仍存在空白。特别是在种子发育过程中，母体组织(种皮)和子代组织(胚和胚乳)具有不同的遗传背景，它们如何协调发育仍不清楚。此外，chalazal增殖组织(CPT)作为种子中一个独特区域，其发育机制和功能尚待阐明。

加拿大曼尼托巴大学和加拿大多伦多大学的研究人员通过构建油菜种子的时空转录组图谱，系统研究了亚基因组偏向性表达的规律。研究采用激光显微切割(LMD)技术精确分离种子不同区域，包括母体种皮的内部种皮(ISC)、外部种皮(OSC)、chalazal种皮(CZSC)和CPT，以及子代组织的胚乳和胚等区域，覆盖了从胚珠到成熟种子的多个发育阶段。通过RNA测序分析，研究人员获得了55，839个基因的表达数据，占注释基因的78.6%。

研究发现Cⁿ亚基因组在几乎所有种子区域都呈现表达优势，特别是在早期发育阶段和母体组织中。CPT表现出最显著的亚基因组偏向性，其转录特征与其他母体组织明显不同。通过组织学分析发现，CPT来源于珠心组织，在种子发育过程中经历细胞程序性死亡，最终被整合到色素层中。研究还发现种子贮藏相关基因如OLEOSIN(OLEO)、SEED STORAGE ALBUMIN(SESA)和CRUCIFERIN(CRU)等存在亚基因组表达偏向性，这可能影响种子的贮藏特性和活力。

该研究发表在《Plant Physiology》上，首次在细胞和组织水平上揭示了油菜种子发育过程中的亚基因组偏向性表达规律，为理解多倍体植物种子发育的分子机制提供了重要见解。研究发现的CPT独特发育特征和种子贮藏基因的表达偏向性，为作物改良提供了新的靶点。

研究采用了几个关键技术方法：激光显微切割技术精确分离种子不同区域；RNA测序分析基因表达；组织学和透射电镜观察种子发育过程中的细胞学变化；基因本体(GO)富集分析鉴定差异表达基因的功能类别；建立油菜eFP Bio-Analytic Resource可视化基因表达模式。

研究结果部分，在"甘蓝型油菜种子是复杂而精巧的生殖结构"部分，研究人员通过组织学观察将种子分为多个区域，建立了研究体系。"Cⁿ亚基因组在种子发育过程中呈现不对称转录积累"部分发现Cⁿ亚基因组在检测到的基因数量和转录本积累量上都占优势，特别是在成熟子叶中Cⁿ占比达82.4%。"母体区域同源基因对的亚基因组偏向性在ovCPT中最显著"部分显示ovCPT的基因表达模式与其他母体区域明显不同，聚类分析将其单独分为一类。

"母体区域在早期种子发育中转录组差异更大"部分通过GO分析发现ovCPT中Aⁿ偏向性基因与细胞程序性死亡相关，而Cⁿ偏向性基因参与多糖代谢等过程。"CPT来源于珠心组织且转录组独特"部分通过发育系列观察和基因表达分析，证实CPT来源于珠心组织，表达CEP1等与细胞死亡相关基因，最终被整合到色素层中。

"ISC和OSC在遗传和形态上存在差异"部分显示两个种皮层在细胞壁重塑和贮藏物质沉积相关基因表达上存在亚基因组偏向性差异。"母体区域脂质代谢基因亚基因组偏向性低"部分发现虽然脂质相关基因表达量高，但亚基因组偏向性不明显。"子代区域亚基因组偏向性低于母体区域"部分表明胚和胚乳的亚基因组表达差异较小，特别是在成熟胚中。"胚乳细胞化与细胞壁合成相关基因的Cⁿ偏向性相关"部分发现参与细胞壁合成的基因如TBL42等在胚乳中呈现Cⁿ表达优势。"种子贮藏相关基因的同源基因对呈现不同亚基因组偏向性"部分显示OLEO1、SESA4和CRU2等基因在同源基因对中存在表达差异。

研究结论指出，甘蓝型油菜种子发育过程中存在全局性的Cⁿ亚基因组表达偏向性，特别是在母体组织中表现显著。CPT作为种子中一个独特区域，其发育过程和功能值得进一步研究。种子贮藏相关基因的表达偏向性可能影响种子品质，这为作物改良提供了新思路。该研究建立的时空转录组图谱为理解多倍体植物种子发育的分子机制提供了重要资源。