单核转录组图谱揭示种间杂交胚胎败育的细胞机制与CYP78A6的关键作用

《Molecular Plant》：Single-nucleus transcriptome atlas of Brassica developing seeds provides cellular and molecular insights into embryo abortion in interspecific hybrids

摘要

胚胎挽救技术已被用于在远缘杂交中恢复败育种子；然而，由于胚胎败育的遗传基础知之甚少，其效率仍然很低，且挽救常常失败。为解决这一问题，本研究对Brassica campestris（同义词Brassica rapa）chinensis亚种与Brassica oleracea种间杂交产生的发育种子进行了时间序列单核RNA测序（snRNA-seq），并将其与B. campestris种内杂交产生的种子进行比较。对单核转录组图谱的分析揭示，在正常种子发育过程中，胚和胚乳细胞经历大量增殖，而在种间杂交后代中，这两种细胞类型均大幅减少，表明发育早期即存在持续的发育失败。我们鉴定出一种此前未被表征的细胞类型，命名为seed coat and suspensor（SC-SUS）细胞，其特征是特异性表达细胞色素P450家族基因CYP78A6。值得注意的是，在正常种子中，CYP78A6在球形期之后即被失活，而在杂交种子中仍保持活性。激素调控基因的分析显示，杂交后代中激素平衡严重紊乱。此外，基于配体-受体对的细胞间通讯网络图谱绘制揭示，种间杂交种子中存在广泛的失调现象。拟南芥的跨物种验证表明，母本CYP78A6突变和外源激素处理均可恢复杂交种子的活力，其中突变的效应更为显著，两者结合则提供了一定的额外优势。本研究建立了用于理解种间胚胎败育的高分辨率细胞与遗传框架，揭示了生殖隔离可通过遗传程序化的细胞类型特异性程序来解释，并鉴定了改进作物育种中胚胎挽救技术的潜在遗传靶标。