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棉花团队利用单细胞转录组测序解析纤维起始时空调控网络
作者:编辑:王敏发布时间:2022-08-31

(通讯员 覃元)棉花属于锦葵科(family Malvaceae)棉属(Gossypium),其主产品棉纤维是目前应用最广泛的天然纺织原料。棉纤维是单细胞结构,由胚珠表皮细胞突起后不断伸长而形成。棉花开花前后,胚珠表皮细胞突起产生长绒纤维(Lint),即成熟后的皮棉,但只有约25%的表皮细胞可分化形成长绒。每粒种子上起始的长绒纤维数量越多,意味着棉纤维产量越高。然而,调控长绒纤维起始分化的分子机制尚未完全解析。

2022829日,国际知名杂志Plant Biotechnology Journal在线发表了我校棉花遗传改良创新团队题为“Single-cell RNA-seq reveals fate determination control of an individual fiber cell initiation in cotton (Gossypium hirsutum)”的研究论文。这项工作首次在单细胞水平解析棉纤维分化起始调控网络及机制,提供了涵盖纤维细胞起始及早期伸长过程(纤维细胞分化、扩散生长和极性生长)的全基因组规模的基因表达图谱,并提出了单个纤维细胞早期发育的分子调控模型。


本团队前期为了简化纤维突变体的遗传背景,以陆地棉Xu142及其光子突变体Xu142 fl为亲本进行杂交,得到了3份遗传背景高度相似的纤维突变体姊妹系(Hu et al, 2018, Plant Biotechnol J)。利用单细胞转录组测序(single-cell RNA sequencing, scRNA-seq),从具有野生型表型的Xu142_LF纤维起始4个阶段(开花前1.5、1、0.5天和开花当天)的胚珠外珠被中共鉴定出14,535个细胞。基于纤维marker基因表达模式分析和RNA原位杂交结果,将这些细胞定义为3个主要的细胞类型,即纤维细胞、非纤维表皮细胞和外色素层细胞。对Xu142和突变体Xu142 fl胚珠的scRNA-seq数据进行比较分析,进一步定义了纤维细胞类型(图1)。

1 棉花0 DPA胚珠单细胞转录组测序及细胞类型定义


纤维细胞的发育轨迹分析显示,纤维起始可以细分为几个连续但特征明显的过程。胚珠表皮细胞在-1.5 DPA(开花前一天半)时有部分细胞处于前体纤维细胞状态,前体纤维细胞在-1 DPA时分化为纤维细胞,随后开始扩散生长(diffuse growth),在-0.5 DPA时开始突起,然后0 DPA时从转录水平上开始向极性生长(tip-biased diffuse growth)转变(图2)。

2 纤维细胞的发育轨迹


本研究分别对四个样本(-1.5、-1、-0.5、0 DPA)进行了权重基因共表达网络分析(WGCNA)。按转录因子对网络中的基因进行过滤,分别得到四个阶段参与纤维起始的转录因子调控网络,从而揭示了这些过程中分别发挥作用的核心转录因子的时空表达模式。其中MYB25-like -1 DPA开始高表达,CRISPR转基因实验证明该基因决定纤维分化;HOX3 0 DPA开始高表达,转基因实验证明该基因并不影响纤维分化与突起,但决定纤维细胞能否极性生长。此外,对表皮特异因子PDF2CRISPR验证表明其功能缺失导致0 DPA胚珠表皮突起细胞数量显著减少(图3)。


3 棉花MYB25-like、PDF2HOX3基因的功能验证

结合纤维细胞发育轨迹分析、TF调控网络以及网络核心因子的功能验证,本研究提出了一个基于单细胞水平的纤维起始模型。单个纤维细胞依次经历细胞分化、扩散生长和极性生长的过程,每个过程由不同的核心因子调控(图4)。


4 单个纤维细胞早期发育的分子调控模型

本研究借助 scRNA-seq 技术和多阶段精细采样策略,描绘出了纤维起始过程中的长绒纤维细胞分化、扩散生长和极性生长各个阶段。通过基因调控网络分析和基于CRISPR-Cas9的转基因功能验证,MYB25-like基因被新定义为作用于纤维细胞分化的指挥官。此外,HOX3基因被证明为控制纤维细胞转向极性生长的另一个指挥官。重新分析整合前期拟南芥叶片毛状体相关文献,发现其和棉花纤维细胞分化和极性生长的调控时空模式整体相似,关键调控因子相似但不相同。本研究的结果不仅定义了更精细和详尽的纤维起始阶段,还提供了胚珠单细胞表达图谱资源,这将有助于进一步探索纤维发育、植物毛状体分化和单细胞命运决定的机制,可为棉花产量遗传改良提供理论依据,从而有利于提升植棉的经济效益。

bet5365最新线路检测作物遗传改良全国重点实验室和湖北洪山实验室的棉花遗传改良创新团队涂礼莉教授为论文通讯作者,团队已出站博士后覃元(现就职于长江大学)和博士研究生孙梦玲为论文共同第一作者,棉花团队带头人张献龙教授指导该研究的设计和实施。该研究得到了国家自然科学基金重点、面上项目(31830062,31901576)和bet5365最新线路检测交叉科学研究院资助项目(2662021JC005)的经费支持。


原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13918

参考文献:

1. Hu H, Wang M, Ding Y, Zhu S, Zhao G, Tu L, Zhang X. Transcriptomic repertoires depict the initiation of lint and fuzz fibres in cotton (Gossypium hirsutum L.). Plant Biotechnol J. 2018; 16:1002-1012.

2. Qin Yuan, Sun M, Li W, Xu M, Shao L, Liu Y, Zhao G, Liu Z, Xu Z, You J, Ye Z, Xu J, Yang X, Wang M, Lindsey K, Zhang X, Tu L. Single-cell RNA-seq reveals fate determination control of an individual fiber cell initiation in cotton (Gossypium hirsutum). Plant Biotechnol J. 2022;  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13918


审核人:涂礼莉



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