摘要：种子的发育受时空特异性基因表达调控，影响着种子的大小、活力和品质。种子的关键特性，如养分储存、抗逆性、萌发能力以及营养特性，受到特定组织和细胞区域内基因表达以及空间组之间相互作用的影响。对于小麦等谷类作物，胚乳发育是决定产量的关键阶段，目前对灌浆期的发育已有广
种子的发育受时空特异性基因表达调控，影响着种子的大小、活力和品质。种子的关键特性，如养分储存、抗逆性、萌发能力以及营养特性，受到特定组织和细胞区域内基因表达以及空间组之间相互作用的影响。对于小麦等谷类作物，胚乳发育是决定产量的关键阶段，目前对灌浆期的发育已有广泛的研究，但尚未在基因网络水平上得到深入的解析，而小麦作为六倍体植物，其多倍体基因组为基因表达研究增加了复杂性。近年来空间转录组学技术的发展填补了传统转录组学对单细胞的基因表达研究，为复杂结构中的空间基因表达研究奠定了基础。
近日，来自澳大利亚昆士兰大学农业与食品创新联盟（QAAFI）的Robert J. Henry团队，在《Plant Biotechnology Journal》杂志发表了题为“Spatial Transcriptomics of Developing Wheat Seed Reveals Concentric Gene Expression Zones and Subgenome Biased Expression of Key Genes”的文章。该研究利用STOmics空间转录组平台，在小麦种子发育中期可视化其基因空间表达模式，鉴定到与8个功能细胞群相关的基因表达簇，并进一步发现了已知的关键组织特异性基因存在的亚基因组偏向性表达，为后续小麦灌浆期机制的研究提供了重要的理论基础。
图1开花后14天小麦种子完整切片示意图和基因表达热图
作者采用STOmics空间转录组技术检测小麦发育种子中的空间基因表达，将14 DPA种子在冷冻切片机中切成20μm的切片，贴附于STOmics 转录组检测芯片上进行测序并分析研究。荧光显微镜图像清晰的显示了组织结构（图1C、1D）,结合基因表达矩阵热图发现胚、腹沟、内胚乳和果皮等区域表达活跃（图1E、1F）。
图2 空间聚类分析鉴定基因的表达簇
作者利用Spatial Leiden聚类方法，鉴定到8个表达簇，并将其与功能细胞群关联（图2），分别为果皮、亚糊粉层、中央胚乳、内胚乳、传递细胞、外腹沟、内腹沟和胚。亚糊粉层簇构成胚乳的最外层，呈环状沿组织切片的外边界分布，中央胚乳簇覆盖种子切片的最大区域，内胚乳簇和传递细胞簇同样呈明显的同心层分布，围绕组织切片中心的腹沟排列，内胚乳簇作为区别于中央胚乳和传递细胞的独特细胞簇，揭示了胚乳中一个此前未被鉴定的独特基因表达区域。
图3 小麦种子切片中已知组织特异性基因的空间表达模式
作者进一步分析了已知组织特异性基因的空间表达模式，以验证实验数据的可靠性，这些基因包括已知或推测在果皮、胚乳、胚中表达的基因。作者对puroindoline-B基因进行研究，该基因与小麦胚乳硬度相关，发现其主要在胚乳和糊粉层细胞中高表达，与基因表达矩阵结果一致（图3A-C）。对小麦α-淀粉酶/丝氨酸蛋白酶抑制剂编码基因的研究表明，在小麦果皮中表达最高，在胚乳、腹沟和胚中有较低水平的表达（图3D-F）。作者也对自噬相关蛋白ATG8编码基因进行探究，该基因参与果皮细胞的程序性降解，作者的研究结果显示，ATG8基因在果皮中有一定的表达，但在腹沟细胞簇中表达更强，在胚乳中的表达水平与果皮的表达水平相近（图3G-I）。
图4 组织特异性基因的同源基因的亚基因组偏向表达模式
对数据结果的进一步分析，作者发现部分基因存在亚基因组偏向性表达。对于puroindoline-B基因，D 亚基因组同源基因的整体表达水平显著高于 A 亚基因组和 B 亚基因组（图4A-C）。α- 淀粉酶 / 枯草杆菌蛋白酶抑制剂基因表现出亚基因组空间偏向性表达（图 4D-F），A 亚基因组同源基因的整体表达水平显著低于 B亚基因组 和 D 亚基因组。对于金属硫蛋白，不存在A亚基因组同源基因，而D 亚基因组同源基因的整体表达水平显著高于 B 亚基因组（图 4G-H）。
图5 每个基因表达簇中最高表达的5个标记基因的候选基因
作者对每个簇鉴定了新的候选标记基因（图5）。对果皮、腹沟、胚和传递细胞簇鉴定了特异性强的标记基因，对胚乳细胞簇鉴定了多个标记基因。在果皮细胞簇中，候选基因TraesCS7A03G1333700（26kDa 内切几丁质酶 ）和TraesCS5A03G1295700（非特异性脂质转运蛋白），这两个基因几乎仅在果皮中表达，且在重复芯片中也被鉴定为该组织的标记基因；在腹沟细胞簇中，鉴定到候选标记基因TraesCS5A03G0651300（诱导匍匐茎顶端蛋白）；在传递细胞簇中，鉴定到TraesCS1D03G0140700、TraesCS1D03G0141600和TraesCS1A03G0152800的新候选基因，推测其与脂质转运蛋白相关；中央胚乳、亚糊粉层和内胚乳簇中鉴定到的候选标记基因均特异于胚乳，但在相邻的胚乳簇中的表达水平相近，这些基因包括α/β/γ-醇溶蛋白、α-淀粉酶/胰蛋白酶抑制剂基因。
该研究作者利用STOmics空间转录组平台，揭示了小麦灌浆中期种子基因表达的空间分布规律和亚基因组偏向性的空间特异性，发现了胚乳发育的空间功能分区，解析了关键基因的亚基因组偏向性，筛选了具有育种潜力的新的候选基因，
为未来通过基因编辑或分子育种改良小麦品质、提高产量提供了理论基础和候选基因资源。
来源：老田说科学