近日，云南大学胡凤益团队联合深圳华大生命科学研究院刘欢团队完成题为“Spatiotemporal transcriptomic atlas of rhizome formation in Oryza longistaminata”的研究论文在植物学知名期刊Plant Biotechnology Journal上发表。
地下茎（Rhizome）是许多植物实现多年生的重要器官之一。起源于非洲的长雄野生稻（Oryza longistaminata）具有发达的地下茎，表现出极强的无性繁殖特性，与稻属（Oryza L.）的亚洲栽培稻（O. sativa）同属AA基因组，其蕴藏了许多生物非生物胁迫的性状/基因，被认为是亚洲栽培稻遗传改良的潜在基因库。该团队前期以亚洲栽培稻为母本，长雄野生稻为父本进行杂交获得F1植株，发明了利用长雄野生稻地下茎无性繁殖特性培育多年生稻的方法，成功创制了多年生稻，表现出广泛的应用前景，研究结果入选2022年Science期刊十大科学突破。但是，关于地下茎生长发育的研究基础，特别是细胞生物学机理仍然不清。
该团队利用长读长测序技术结合HiC组装了长雄野生稻双单倍型基因组，基因组大小为358 Mb，scaffold N50 为26.7 Mb，为长雄野生稻有利基因发掘利用提供了扎实的组学基础。利用崭新的时空组学技术（Stereo-seq）构建了长雄野生稻地下茎一次分支、二次分支以及分蘖的空间转录组图谱（图1），共鉴定出17个细胞群，不同细胞群之间的界限明显，同时地下茎细胞群能与分蘖细胞群聚合在一起，各细胞群图谱与解剖学组织结构一致，表明在组织结构上地下茎与分蘖细胞群存在一致性，推测地下茎的形成是由基因的特异性表达引起的。
图1. 地下茎空间转录组图谱构建
从地下茎组织横切面上看，地下茎由表皮、薄壁组织、通气组织以及内外两圈维管束组成，地下茎的生长发育包括薄壁组织凹陷、先出叶生成以及地下茎腋芽形成三个阶段（图2）：节间基部横切面薄壁组织出现的凹陷特征是地下茎生长发育的起始阶段，将其定义为阶段I；伴随地下茎的生长发育，薄壁组织凹陷区域生成先出叶，同时与先叶紧邻的薄壁组织细胞开始分化并在形态结构上更为致密，定义为地下茎发育阶段II；最后，薄壁组织的凹陷区域发育形成地下茎腋芽，包含叶原基和顶端分生组织，定义为阶段III。地下茎组织切片完整呈现出不同生长发育阶段结构特性，为探索地下茎生长发育的生物学机制提供了参考。
图2. 地下茎不同发育阶段的组织解剖学特征
在地下茎不同生长发育阶段中，叶原基细胞群和分生组织起始细胞群均出现在地下茎起始区域（图3）。地下茎生长发育阶段I中检测到薄壁组织1群含有部分叶原基群，在薄壁组织2群中出现了分生组织起始群。伴随地下茎的生长发育，分生组织起始群和叶原基群区域逐步扩大，这些早期细胞群在第3阶段开始出现分化，表明它们可能处于薄壁组织与分生组织起始细胞群之间的过渡状态。另外，鉴定到7个长雄野生稻基因在叶原基群中的表达高于薄壁组织1群。对地下茎生长发育阶段I的分生组织起始群和对照区域薄壁组织2群之间的差异基因表达分析发现了12个在叶原基中的高表达基因。
图3. 地下茎起始的空间转录组学特征
进一步解析地下茎生长发育的细胞生物学过程，发现生长发育阶段I和II中分生组织起始群与薄壁组织2群重叠，而在第Ⅲ阶段，两群出现分离，并与顶端分生组织群、叶原基1群、顶端起始细胞群和薄壁组织2群形成发育闭环（图4）。第III发育阶段包含顶端分生组织细胞群的RNA剪切速率显示出从地下茎顶端到内圈维管束的发育方向，表明在第III阶段地下茎顶端分生组织开始分化为其他类型的细胞群。这些结果表明从顶端分生组织群到顶端起始细胞群的发育顺序，起始细胞群随后分化成薄壁细胞并形成一个完整的发育轨迹。将拟时序结果映射到地下茎对应细胞群的空间位置上发现地下茎顶端附近的分生组织起始位点具有更晚的拟时序，与地下茎生长发育的生物学特性一致。这项研究为长雄野生稻地下茎生长发育的生物学机制解析提供了重要的理论支撑。
图4. 地下茎发育轨迹
云南大学廉小平副研究员、研究生白艺旋、唐思佳，深圳华大生命科学研究院钟荔媛博士后、光宣敏副研究员为论文共同第一作者；云南大学胡凤益研究员、张石来研究员，深圳华大生命科学研究院刘欢研究员为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、云南省科技计划, 深圳市科技重大专项、新基石科学基金等项目资助。
原文链接: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14294
供稿：资源植物研究院
编辑：李哲 责任编辑：王崴
