植物通过在细胞间交换遗传模块而进化

　　

   

   

研究人员与Resolve Biosciences合作，使用了一种称为分子制图的技术，这是一种空间转录组学方法，同时绘制了大约100个基因的细胞位置。这使他们能够验证细胞间基因表达的跨物种图谱

玉米、高粱和小米为世界各地的人类和动物提供食物。玉米和高粱是古老的亲戚，大约在1200万年前进化成两个不同的物种，小米是一个更遥远的亲戚。

尽管它们有着共同的祖先，但这两种作物在关键性状上有很大的不同——例如，高粱比玉米更耐旱，而且这些植物从根部释放出独特的粘稠物质，以塑造它们与周围土壤的相互作用。这些差异可以追溯到玉米从高粱分裂后经历的全基因组复制。

 根据纽约大学研究人员领导的一项新研究，比较玉米、高粱和小米的单个细胞揭示了这些重要谷类作物之间的进化差异。发表在《Nature》杂志上的这一发现使研究人员更接近于确定哪些基因控制着重要的农业性状，如耐旱性，这将帮助面临气候变化的科学家使作物适应更干燥的环境。

“这些作物的重要性，它们的进化接近性，以及它们的功能差异，为比较细胞水平上的基因表达模式提供了一个令人兴奋的机会，”纽约大学生物系的博士后，也是这项研究的第一作者Bruno Guillotin说。“虽然这三种作物很相似，但它们之间的差异很重要，因为它们具有我们可能希望从一种作物转移到另一种作物的特性，例如耐旱性。”

研究人员对玉米、高粱和小米的根进行了单细胞mRNA分析，解剖根来单独观察细胞，并精确观察基因在特定细胞中的表达位置。然后，他们比较了三种作物中相同的特化细胞。

“根是抵御干旱和炎热的第一道防线。你可以把树根想象成一个有许多工作部件的机器——在这种情况下，是细胞类型——所以了解机器如何工作来收集水和应对干旱和炎热是非常重要的，”纽约大学生物系和基因组学和系统生物学中心的教授Kenneth Birnbaum说，他是这项研究的通讯作者。“比较不同的物种有助于我们梳理出哪些基因导致了关键的农业性状。”

在研究细胞是如何在不同物种中进化和分化的过程中，研究人员发现了几个趋势，这些趋势指向细胞的“修补”——或者是对现有元素的重新排列——随着时间的推移。首先，他们观察到细胞在进化过程中经常在细胞类型之间交换基因表达模块，或10或50个具有协调功能的基因组。

Birnbaum补充说:“这种基因模块交换已经在动物系统中得到了证明，但我们生成的数据是第一次在植物系统中得到大规模的说明。”

这种模块的交换在一项关于根黏液的发现中得到了证明。根黏液是根向土壤中释放的一种充满营养物质的粘稠物质。黏液对润滑土壤很有用，这样根就可以穿过土壤，吸引有益的细菌，保护植物或提供难以获得的营养。

研究人员发现，帮助产生根黏液的基因位于玉米、高粱和小米根的不同部位。在高粱中，黏液基因在根的外层组织中被发现，而在玉米中，这些基因在根冠中被交换成一种新的细胞类型，这种进化变化可能使玉米能够吸引细菌，帮助植物获得氮。他们还发现了其他基因调节因子，这些基因调节因子在不同的细胞类型中根据作物的不同而改变，为研究人员提供了测试传递特定性状的基因的主要候选基因。

此外，研究人员发现，1200万年前玉米从高粱中分离出来后，整个基因组的复制影响了特定类型的细胞，使玉米细胞迅速特化。他们还观察到，某些类型的细胞充当了新基因的供体，而另一些细胞似乎收集了新的基因复制，这可能表明基因复制加速了某些细胞的进化。

单细胞测序技术的最新进展使这项研究成为可能，并为探索作物基因与细胞性状之间的联系开辟了新的方法。

“十年前，我们只能用早期的单细胞测序技术分析十几个或几十个细胞。现在我们可以在一个相当常规的实验中分析数以万计的细胞，”Birnbaum说。

未来的研究将比较这三种作物的单细胞如何应对干旱等压力。

Birnbaum说:“这种反应可能是找到对耐旱真正重要的一组基因的关键。”

A pan-grass transcriptome reveals patterns of cellular divergence in crops