从种子到发芽：新的转录组图谱揭示大豆胚胎的秘密

一个研究小组创建了第一个完整的大豆胚胎发育转录组图谱，为基因活动如何影响种子生长、营养储存和抗逆性提供了前所未有的见解。

　　

该研究涵盖了从心形胚胎到种子萌发的各个阶段，绘制了胚轴和子叶中基因表达的动态模式，揭示了关键的调控网络。这项研究揭示了转录因子、激素信号和代谢基因在整个发育过程中如何协同作用，甚至表明抗脱水基因在驯化过程中受到了正向选择。

大豆是全球重要的豆科作物，仅在中国就提供了超过45%的植物油和67%的动物饲料。大豆种子由胚发育而成，这意味着胚的生长直接决定了种子的大小、重量和品质。虽然已经构建了玉米、小麦和拟南芥等作物的转录组图谱，但仍然缺乏涵盖大豆以及其他豆科植物完整胚胎发育过程的高分辨率图谱。大豆在子叶发育、代谢物积累和环境敏感性方面也与这些模型不同。因此，完整的转录组图谱不仅可以阐明关键的发育过程，还可以支持大豆及相关物种的先进作物育种策略。

华南农业大学王英祥和刘亚林团队于 2024 年 12 月 13 日在《种子生物学》 上发表的一项 研究（DOI：10.48130/seedbio-0024-00 21 ） 为功能基因组学提供了强大的资源，为更智能地培育高产、抗逆性大豆品种打开了大门。

该研究收集了18个组织样本，代表大豆胚胎发育的主要阶段，包括胚轴和子叶、干种子和发芽期。每个样本均进行了RNA测序，生成了高覆盖率数据，并进行了一致的重复实验。分析揭示了动态转录活性：表达基因的数量在成熟早期达到峰值（超过25,000个），在干种子中显著下降，然后在吸胀后再次上升。胚轴（EA）通常表现出中等表达的基因，而胚轴（CT）则表现出选择性基因的较高表达。转录模式根据发育阶段呈现聚类，同一阶段的胚轴和胚轴比同一组织在不同阶段的相似性更高。差异基因表达分析揭示了大量的转录重编程，尤其是在进入和退出成熟的过渡期。例如，在成熟后期，近5,000个基因被下调，这与种子干燥的时间相吻合。基因本体富集表明，昼夜节律调节、激素信号传导和类黄酮生物合成等关键生物学过程具有阶段特异性。研究人员还鉴定了 1,922 个活性转录因子 (TF)，包括众所周知的胚胎发生调控因子，例如BBM、STM、 WOX11和YABBY，它们表现出组织和阶段特异性表达。此外，参与油、蛋白质、黄酮类化合物、叶酸和类固醇生物合成的基因显示出协调的表达峰，支持种子发育过程中的代谢转变。值得注意的是，赤霉素相关基因在早期达到峰值，而脱落酸相关基因在后期占主导地位。令人惊讶的是，干种子含有与剪接体和核糖体组装相关的储存转录本，可能支持快速发芽。最后，发现与脱水耐受性相关的基因（LEA、HSP、油质蛋白、 脱水蛋白）在驯化过程中受到正向选择，从野生大豆到现代栽培品种表达增加。总之，这种转录组景观为作物改良和进化生物学提供了重要资源。

该转录组图谱为大豆功能基因组学和种子性状改良提供了基础资源。已鉴定的转录因子和代谢基因为旨在提高油脂或蛋白质含量、增强抗逆性或优化种子大小的育种项目提供了精准的靶点。在干燥种子中发现储存的转录本可能有助于制定提高种子活力和寿命的策略。此外，已证实的脱水相关基因选择有助于我们理解大豆在数千年中如何适应气候变化。这些见解有助于加速开发适应特定气候和农业需求的下一代大豆品种。

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