【Science封面】想法很重要！利用RNA-seq揭示玉米花粉中配子体基因组的激活时期

2022年1月27日，Science封面在线发表了美国乔治亚大学植物生物系Brad Nelms和斯坦福大学生物系Virginia Walbot题为“Gametophyte genome activation occurs at pollen mitosis I in maize”的研究论文。作者通过使用等位基因特异性RNA测序单个花粉前体来跟踪玉米花粉向单倍体表达的变化，确定单倍体的选择在花粉中起作用的时间。

DOI: 10.1126/science.abl7392

植物在减数分裂后不直接产生配子；相反，它们形成了一个被称为配子体的多细胞单倍体生物体。虽然开花植物配子体的大小减少，但单倍体世代保持高度的独立性。花粉由于群体规模大，在传播、花粉管生长和受精过程中竞争激烈，具有很高的选择能力。然而，单倍体配子体基因组何时从其二倍体孢子体的亲本基因组中获得控制以及在花粉中是否也发生亲代-后代的转变未知。

为了检验分离亲本（孢子体）和子代（配子体）对单个花粉前体转录组的贡献的能力，研究者首先从 A188 和 B73 自交玉米系之间的 F1 杂种中分离出单二倍体花粉母细胞（PMC；即准备启动减数分裂的细胞）和单倍体花粉粒。通过转录组发现，在单个PMCs中，大多数基因从两个等位基因中表达。并且，在成熟的花粉粒中，基因几乎完全来自一个等位基因（图1）。接着，作者对从67个阶段的花药中采集的349个单个花粉前体进行了分析，从减数分裂前间期到成熟花粉进行了密集采样，发现在基因表达和显微阶段之间观察到可重复性的对应（图1）。在前期I的其余时间，转录组发生了几次较小的表达变化，从中期I到早期单细胞小孢子（UM）阶段，转录组相对静止，在UMs和双细胞小孢子（BMs）之间的表达发生了另一次大的变化。许多基因类别有明显的时间表达模式，包括转录因子、参与减数分裂重组和突触的基因和分期小RNA前体。

作者接下来比较了在每个阶段单前体中双等位基因和单等位基因表达的基因比例（图2）。在减数分裂I期，观察到大多数基因的双等位基因表达。在花粉有丝分裂I（PMI）前后，该基因迅速转化为单等位基因表达。因此，单倍体小孢子具有孢子体转录本，然后在PMI前后急剧过渡到配子体表达。

单倍体基因组主要在PMI后开始活跃，因此作者探究在花粉发育的不同时期表达的基因的平均非同义替换率（dn/ds）是否存在差异。与基因组背景下的基因相比，减数分裂后在100 TPM处表达的基因（即在四分体或UM阶段表达的基因，而不是在PMI后表达的基因）的dn/ds分布类似（图3A）。相比之下，PMI后表达的基因的中位dn/ds降低了30.7%，这与单倍体配子体中的纯化选择一致。接下来，作者评估了在二倍体孢子体中表达的部分基因可能在花粉中受到单倍体选择的影响。发现大部分基因组在二倍体和单倍体阶段都有表达。其中，很大一部分是在PMI后表达的，因此可能受到单倍体选择的影响（图3、B和C）；这个子集的中位数dn/ds明显较低（图3D）。这些基因的单倍体表达可能有助于降低二倍体植物的遗传负荷。

此外，作者发现，每个前体的平均转录本数量在花粉发育过程中发生了显著变化（图4），这表明在不同阶段之间，新合成和降解的相对速率存在很大差异。每个细胞的转录本数量从减数分裂早期的高峰逐渐下降到UM期的最低水平。许多基因的减数分裂前（双等位基因）转录持续到BM期，但新转录的大量增加超过了先前存在的转录水平，从而产生了向单等位基因表达的净转移。因此，向单倍体表达的转变是由新的转录和配子体基因组激活驱动的，孢子体转录本的降解在这一转变中扮演了相对次要的角色。RY重复序列是三个平行转录因子（ABI3, FUS3和LEC2）的结合位点。该序列可作为配子体基因组激活的转录因子的结合位点。

综上所述，大多数细胞过程在花粉发育的前半部分是在孢子体控制下进行的。并且玉米花粉在一半的单倍体阶段没有单倍体转录本积累，限制了单倍体选择在雄株配子体中发挥作用的时间。

来源：MP植物科学

转自：“iPlants”微信公众号

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