
近日,Nucleic acids research(IF=19.160)在线发表了由复旦大学戚继研究员团队和江西农业大学国春策教授团队合作完成的研究论文“A spatiotemporal atlas of organogenesis in the development of orchid flowers”。本研究应用10x Visium空间转录组技术对兰科植物蝴蝶兰(Phalaenopsis Big Chili)的花器官的发育过程进行了研究。通过分析数千个与花发育相关基因的空间表达分布,高分辨率地识别了兰花早期发育的多种细胞类型。百迈客有幸参与此项研究工作,为该研究提供了空间转录组测序服务。接下来,我们一起来看一下这篇文章讲了一个怎样的精彩故事。
研究背景
花器官的发育是被子植物中特有的一个神秘过程,涉及到细胞在特定位点的生长、分裂和分化以及细胞与细胞之间的相互作用等一系列细胞活动。典型的高等植物花器官一般可以分为四轮结构,从外向内依次是萼片、花瓣、雄蕊和心皮。而控制花的四轮结构发育的就是典型的“ABC”模型,MADS-box基因在其中起着非常重要的作用。
兰科是被子植物中较大的科之一,有763属,28,000多个种,被认为是研究花器官发育和进化的模式科。然而,对兰花花发育复杂过程的全面认识还远远不够,特别是缺乏对其器官发生关键调控网络的时空研究。
研究思路
研究结果
1、兰花花器官早期发育的空间转录组测序和细胞类型识别
为了提供花器官发生的时空细胞图谱,以便全面理解器官发生的复杂过程,本研究在10× Visium平台上对蝴蝶兰(P. Big Chili)三个总状花序组织样本的矢状面进行了空间转录组测序,从时期上覆盖了花序分生组织存在到接近成熟的花器官的大部分早期发育阶段(图1A)。研究团队利用自主开发的STEEL算法,将空间转录组数据清晰地分为40个clusters(图1B、C)。其中,花被片、唇瓣和花柱组织中的beads聚类性较好,且与相应的组织形态学检测的观察结果高度一致。 总之,三张切片的空间转录组共检测到14,328个基因的表达,其中有3,817个基因被鉴定为特异性或优先在一个或多个组织中表达,为后续详细分析从分生组织细胞到分化后细胞的细胞类型变化提供了分子图谱。

图1 基于空间转录组学的兰花早期发育阶段器官发生的重建
2.早期花原基存在分生组织细胞,随后分化为营养型细胞和生殖细胞
为了研究从分生组织细胞到营养型细胞(花被、唇瓣)和生殖细胞(花柱)的分化,研究团队用Monocle绘制了细胞状态的轨迹。如图2B所示,三簇分生组织细胞形成了一条连续的路径,代表其发育过程,与其在组织学切片上的位置高度一致。该路径分为两条子路径:一条是由花被片中的营养型细胞组成,另一条由花柱中的花药原基生殖细胞组成。细胞类型变化的轨迹作为动态发育过程的静态投影,也可以理解为分生组织细胞的拟时序分化。如图2C所示,此时营养型细胞出现较早,并分散在子路径的远端。共鉴定出4,685个空间差异基因与发育拟时间相关,对这些基因绘制分支轨迹基因表达热图,发现它们随着发育路径的分离表现出不同的表达模式(图2D)。MapMan功能富集图显示它们主要富集在细胞壁代谢、激素、脂质、蛋白质和RNA合成等功能上(图2E)。通过基因的拟时分布图发现许多其他基因可能在分生组织、营养组织和生殖组织的细胞分化过程中发挥作用(图2F)。

图2 分生组织细胞向营养型细胞和生殖细胞的分化
3.MADS-box基因的空间表达分布说明了决定兰花花部器官的ABC code

图3 15个MADS-box基因的空间表达分布图
4.持续激活的分生组织细胞群参与花被片的形成

图4 切片1中6号花苞的分生组织细胞向花被片细胞分化的分析
5.花药发育的起始和随后多种细胞类型的分化

图5 花药多发育阶段的身份决定与形态建成
总 结
本研究利用10x Visium空间转录组学数据分析了蝴蝶兰花器官早期发育过程中基因表达的动态变化。通过对时空表达分布的比较,确定了在特定组织/阶段优先表达的数千个基因,包括MADS-box基因和许多其他潜在下游基因,形成了花器官初始化、身份决定和形态建成的模型。对兰花开花发育过程进行了系统的研究,为进一步研究兰花开花过程中复杂而重要的基因调控网络提供了宝贵的资源。
百迈客空间转录组测序项目经验
除了10x空间转录组项目经验和植物切片结果外,百迈客还有百创S1000空间转录组的实测高清结果图片供欣赏百创S1000的优势有:
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亚细胞级分辨率 -
多级分辨率动态分析 -
1-8样本,灵活上样 -
兼容HE/甲苯胺蓝染色,保留组织原始形态





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.