Marchantia polymorpha 配子器官的转录组图谱（单核分辨率）

《Journal of Genetics and Genomics》：Transcriptomic landscape of Marchantia polymorpha sexual organs at single-nucleus resolution

肝worth（Marchantia polymorpha）单细胞转录组图谱解析其生殖器官及孢子体细胞分化与发育轨迹，揭示脚细胞介导母体配子体与孢子体通讯的分子机制。

　　这项研究围绕着一种模式苔藓植物——多形匍匐苔（*Marchantia polymorpha*）的生殖结构和孢子体展开，通过单核RNA测序（snRNA-seq）技术构建了详细的单核转录组图谱。作为研究植物性生殖演化的理想系统，*M. polymorpha*的生殖器官结构在形态上与被子植物的花朵不同，但其生殖过程却共享一些基本机制，如配子形成和受精。研究团队采集了来自自然栖息地的样本，并通过先进的单核测序技术，对这些结构中的细胞类型进行了深入解析，揭示了其在发育和功能上的多样性。

研究团队在实验中使用了单核RNA测序技术，这一技术相较于传统的单细胞RNA测序，无需依赖原生质体分离，能够更高效地从多种组织类型和发育阶段的样本中提取细胞核。这种方法特别适用于冷冻样本的处理，且已被广泛应用于不同植物系统的研究中。通过snRNA-seq，研究者能够获得高质量的细胞核数据，从而更准确地识别和分类细胞类型。在本研究中，团队从* M. polymorpha*的雄性生殖器官（雄蕊体）和雌性生殖器官（雌蕊体）中提取了近5万个高质量的细胞核，每个细胞核的完整性均超过85%，浓度超过1000个/微升。这些数据被加载到微流控平台上，通过条形码连接和文库制备，最终获得了约300GB的snRNA-seq数据。这些数据不仅提供了对细胞类型和功能的深入理解，还为研究植物性生殖的进化机制奠定了基础。

在雄性生殖器官中，研究团队识别了从早期雄蕊体细胞到成熟精子的多个发育阶段，揭示了精子形成的动态转录程序。这些程序包括细胞周期调控、染色质重塑和钙信号传导等关键过程。这些发现有助于理解雄性生殖细胞如何在发育过程中实现功能转变，并为研究植物性生殖的调控机制提供了新的视角。在雌性生殖器官中，研究者定义了包括雌蕊体层和次中央细胞在内的多种细胞类型，进一步明确了其在生殖过程中的角色。这些细胞类型可能在配子形成、受精和后续发育中发挥重要作用。

对于孢子体部分，研究团队鉴定了孢子、弹丝、孢子囊壁、基足和蒴柄等细胞类型，并分析了它们在结构支持、应激反应和生殖功能方面的转录特征。这一部分的研究特别关注了孢子囊壁细胞的功能，发现其在某些方面与被子植物中的绒毡层细胞具有相似性。这一发现表明，尽管* M. polymorpha*和被子植物在进化上存在较大差异，但在某些关键细胞类型的功能上可能具有保守性。此外，研究团队还发现基足细胞在孢子素生物合成和信号传导通路中表现出高表达水平，这些细胞可能在母体配子体和发育中的孢子体之间起到桥梁作用，协调两者之间的信息传递。这一发现对于理解植物性生殖过程中细胞间合作的机制具有重要意义。

通过本研究，团队不仅构建了* M. polymorpha*生殖器官和孢子体的单核转录组图谱，还揭示了这些结构在发育和功能上的多样性。这一研究结果为深入探讨早期陆生植物性生殖的发育和进化机制提供了重要的参考。研究团队在分析过程中，特别关注了精子成熟、孢子体发育以及孢子素生物合成等关键过程，通过构建细胞类型特异性调控网络，进一步明确了这些过程的分子基础。此外，团队还进行了跨物种比较，发现某些细胞类型在不同植物中的功能可能具有相似性，这为理解植物性生殖的进化提供了新的线索。

研究团队在实验过程中，采集了来自中国吉林省长春市的* M. polymorpha*样本，并在2021年11月进行了系统的采集和保存。这些样本被用于后续的单核RNA测序实验，以确保数据的准确性和可靠性。团队特别注意了样本的采集时间，雄性样本是在其出现后约20天采集的，而雌性样本则是在雌蕊体出现后约35天采集的。这一时间安排确保了研究者能够捕捉到生殖器官在发育过程中的关键阶段，从而更全面地分析其转录特征。

本研究的数据存储和共享方面也得到了充分保障。原始序列数据被存入中国国家基因库数据库（CNGB）的核苷酸序列档案（CNSA），并获得了访问编号CNP0005908。此外，原始基因度量数据也保存在了中国国家生物信息中心（CNCB）的数据库中，访问编号为PRJCA041828。这些数据的公开共享为其他研究者提供了宝贵的资源，有助于进一步验证和拓展本研究的发现。研究团队还遵循了相关生物信息学工具的使用手册和协议，确保了数据处理的标准化和可重复性。

在研究团队的贡献方面，每位研究人员都承担了不同的任务。Yuying Zeng在研究的构思、调查、分析、数据整理、撰写初稿和修改方面发挥了核心作用；Yuqing Cai负责调查和数据整理，并参与了撰写和修改；Zhencheng Tu负责分析和撰写修改；Jingyi Liao和Xiayi Chen参与了调查和撰写修改；Xing Guo、Sibo Wang、Linzhou Li和Yan Xu负责调查；Shanshan Dong提供了资源并获取了资金支持；Huanming Yang负责构思、监督和资金获取；Tong Wei和Yang Liu则参与了研究的各个方面。这种分工协作的模式确保了研究工作的高效推进和全面覆盖。

研究团队还强调了本研究的创新点和重要性。通过单核RNA测序技术，团队能够更精确地解析植物性生殖器官的细胞组成和功能，从而揭示其在发育和进化过程中的关键作用。这一技术的应用不仅提高了数据的准确性和完整性，还为研究植物性生殖的分子机制提供了新的工具。此外，研究团队还关注了孢子素生物合成的细胞间合作，这一过程在植物繁殖中具有重要意义。通过跨物种比较，团队发现某些细胞类型在不同植物中的功能可能存在相似性，这为理解植物性生殖的进化提供了新的视角。

本研究的结果不仅为植物性生殖的发育和进化提供了重要的数据支持，还为未来的研究提供了方向。研究团队指出，随着单核RNA测序技术的不断进步，其在植物研究中的应用将更加广泛。这一技术能够帮助科学家更深入地理解植物性生殖的分子机制，从而揭示其在进化过程中的变化。此外，研究团队还提到，由于苔藓植物在进化上与维管植物存在较大差异，因此对其生殖器官的深入研究将有助于揭示植物性生殖的起源和演变过程。

在本研究中，团队特别关注了孢子体的发育过程，这一过程对于理解植物生命周期的完整性至关重要。孢子体的各个组成部分，如孢子、弹丝、孢子囊壁、基足和蒴柄，都具有独特的功能和转录特征。研究团队通过分析这些细胞类型，揭示了它们在结构支持、应激反应和生殖功能方面的相互作用。此外，研究团队还发现，基足细胞在孢子素生物合成和信号传导过程中表现出高表达水平，这可能表明其在孢子体发育中的关键作用。这些发现为理解植物性生殖过程中细胞间的合作机制提供了新的思路。

本研究的成果对于植物科学领域具有重要意义。通过构建* M. polymorpha*生殖器官和孢子体的单核转录组图谱，团队不仅揭示了这些结构在发育和功能上的多样性，还为研究植物性生殖的进化机制提供了新的数据支持。这一研究结果有助于科学家更全面地理解植物性生殖的分子基础，从而揭示其在进化过程中的变化。此外，研究团队还指出，随着单核RNA测序技术的不断进步，其在植物研究中的应用将更加广泛，这将为未来的研究提供更多的可能性。

总的来说，这项研究通过单核RNA测序技术，对* M. polymorpha*的生殖器官和孢子体进行了深入分析，揭示了其在发育和功能上的多样性。这些发现不仅为植物性生殖的发育和进化提供了重要的数据支持，还为未来的研究提供了新的方向。研究团队的工作展示了单核RNA测序技术在植物科学中的强大应用潜力，为深入理解植物性生殖的分子机制和进化过程提供了新的工具和方法。