近日，Nucleic acids research（IF=19.160）在線發表了由複旦大學戚繼研究員團隊和江西農業大學國春策教授團隊合作完成的研究論文“A spatiotemporal atlas of organogenesis in the development of orchid flowers”。本研究應用10x Visium空間轉錄組技術對蘭科植物蝴蝶蘭（Phalaenopsis Big Chili）的花器官的發育過程進行了研究。通過分析數千個與花發育相關基因的空間表達分布，高分辨率地識别了蘭花早期發育的多種細胞類型。百邁客有幸參與此項研究工作，為該研究提供了空間轉錄組測序服務。

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研究背景

花器官的發育是被子植物中特有的一個神秘過程，涉及到細胞在特定位點的生長、分裂和分化以及細胞與細胞之間的相互作用等一系列細胞活動。典型的高等植物花器官一般可以分為四輪結構,從外向内依次是萼片、花瓣、雄蕊和心皮。而控制花的四輪結構發育的就是典型的“ABC”模型，MADS-box基因在其中起着非常重要的作用。

蘭科是被子植物中最大的科之一，有763屬，28,000多個種，被認為是研究花器官發育和進化的模式科。然而，對蘭花花發育複雜過程的全面認識還遠遠不夠，特别是缺乏對其器官發生關鍵調控網絡的時空研究。

研究思路

研究結果

1、蘭花花器官早期發育的空間轉錄組測序和細胞類型識别

為了提供花器官發生的時空細胞圖譜，以便全面理解器官發生的複雜過程，本研究在10× Visium平台上對蝴蝶蘭(P. Big Chili)三個總狀花序組織樣本的矢狀面進行了空間轉錄組測序，從時期上覆蓋了花序分生組織存在到接近成熟的花器官的大部分早期發育階段（圖1A）。研究團隊利用自主開發的STEEL算法，将空間轉錄組數據清晰地分為40個clusters（圖1B、C）。其中，花被片、唇瓣和花柱組織中的beads聚類性較好，且與相應的組織形态學檢測的觀察結果高度一緻。 總之，三張切片的空間轉錄組共檢測到14,328個基因的表達，其中有3,817個基因被鑒定為特異性或優先在一個或多個組織中表達，為後續詳細分析從分生組織細胞到分化後細胞的細胞類型變化提供了分子圖譜。

圖1 基于空間轉錄組學的蘭花早期發育階段器官發生的重建

2.早期花原基存在分生組織細胞，随後分化為營養型細胞和生殖細胞

為了研究從分生組織細胞到營養型細胞(花被、唇瓣)和生殖細胞(花柱)的分化，研究團隊用Monocle繪制了細胞狀态的軌迹。如圖2B所示，三簇分生組織細胞形成了一條連續的路徑，代表其發育過程，與其在組織學切片上的位置高度一緻。該路徑分為兩條子路徑：一條是由花被片中的營養型細胞組成，另一條由花柱中的花藥原基生殖細胞組成。細胞類型變化的軌迹作為動态發育過程的靜态投影，也可以理解為分生組織細胞的拟時序分化。如圖2C所示，此時營養型細胞出現較早，并分散在子路徑的遠端。共鑒定出4,685個空間差異基因與發育拟時間相關，對這些基因繪制分支軌迹基因表達熱圖，發現它們随着發育路徑的分離表現出不同的表達模式（圖2D）。MapMan功能富集圖顯示它們主要富集在細胞壁代謝、激素、脂質、蛋白質和RNA合成等功能上（圖2E）。通過基因的拟時分布圖發現許多其他基因可能在分生組織、營養組織和生殖組織的細胞分化過程中發揮作用(圖2F)。

圖2 分生組織細胞向營養型細胞和生殖細胞的分化

3.MADS-box基因的空間表達分布說明了決定蘭花花部器官的ABC code

為了發現蘭花中特異的ABC code，本研究對7種被子植物的MADS-box基因進行了系統發育分析。在蝴蝶蘭中的21個ABCDEG類MADS-box基因中，有15個基因在空間轉錄組數據集上檢測到表達信号，且在不同組織部位呈現出優先或特異的表達模式（圖3）。其中，AP3-like和PI-like基因(B類基因)均在花被片、唇瓣和花柱的原基中表達。特别是PAXXG070630在花柱頂端組織周圍表現出梯度表達信号，其中單個spot點表達量最高，其周圍細胞的表達信号随着離中心spot點的距離增大而減弱，表明花藥在發育的這一階段是從單個spot點開始的。AG-like（C類基因）的空間表達譜上也存在類似的情況，為花藥的器官發生提供了進一步的證據。而AP1-like基因（A類基因）優先表達于分生組織中或廣泛表達于各器官中，AGL6-like（G類基因）則在唇瓣和花被片中特異表達。

圖3 15個MADS-box基因的空間表達分布圖

4.持續激活的分生組織細胞群參與花被片的形成

通過對被片細胞進行發育軌迹分析，發現5号花苞被片細胞處于發育軌迹最遠端，基因表達呈現出高度一緻性。而6号花苞被片細胞由4個亞群組成,顯示出細胞之間的高度異質性。如圖4A所示，發育軌迹分析顯示，發育起始于基部分生組織細胞（cluster22、cluster27），然後路徑分散為在近期分化(cluster1)和早期分化(cluster2)的被片細胞。拟時序分析表明細胞狀态從分生組織到近期分化細胞再到早期分化細胞的持續變化(圖4B、C)。通過對6号花苞分生組織細胞群和分化早期、近期的被片細胞群中檢測到的987個基因，繪制分支軌迹基因表達熱圖，發現它們的表達水平與組織部位呈現高度相關性（圖4D）。分生組織、被片組織優先表達的基因顯著富集在蛋白質合成、光合作用和細胞壁合成等相關途徑上（圖4E）。

圖4 切片1中6号花苞的分生組織細胞向花被片細胞分化的分析

5.花藥發育的起始和随後多種細胞類型的分化

與花被、唇瓣這類營養組織不同，花藥的發育起始時間更晚，過程也更為複雜。花藥起始于花柱頂端的花藥原基，如圖2A所示，spot點中B-和C-功能基因表達呈現高表達。與此同時，許多下遊基因被激活，用于進一步的形态建成過程。例如，在6号花苞的花藥中心出現花粉塊，之後在7号和8号花苞中可以觀察到它的形狀變化過程（圖5A）。為了進一步探究花藥發育過程中基因表達的動态變化，收集了花藥原基或花粉上優先表達的1,683個基因進行比較，發現不同花苞之間存在不同的表達模式。正如如圖5B所示，在5号花苞和8号花苞中分别有123和141個基因高表達。而其中大部分基因呈現從5号花苞到8号花苞整體減少的表達模式。展示了與蘭花生殖相關營養型細胞中特異表達或優先表達的一系列關鍵基因，顯示了花藥發育過程中表達譜的動态變化。通過對三個樣本的120個clusters進行PCA分析，表明花藥的早期營養組織，雖然存在相似的基因表達模式，沒有表現出特異表達的基因，但在發育後期迅速經曆了分化和形态建成過程（圖5C）。

圖5 花藥多發育階段的身份決定與形态建成

總 結

本研究利用10x Visium空間轉錄組學數據分析了蝴蝶蘭花器官早期發育過程中基因表達的動态變化。通過對時空表達分布的比較，确定了在特定組織/階段優先表達的數千個基因，包括著名的MADS-box基因和許多其他潛在下遊基因，形成了花器官初始化、身份決定和形态建成的模型。對蘭花開花發育過程進行了系統的研究，為進一步研究蘭花開花過程中複雜而重要的基因調控網絡提供了寶貴的資源。

項目經驗

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參考文獻

Liu C, Leng J, Li Y, Ge T, Li J, Chen Y, Guo C, Qi J. A spatiotemporal atlas of organogenesis in the development of orchid flowers. Nucleic Acids Res. 2022 Sep 12:gkac773.

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