十字花科植物根系中细胞类型特异性表达及应激响应的进化多样性

《Nature Communications》：Evolutionary diversity of cell-type-specific expression and stress response in Brassicaceae roots

　　

摘要

植物由多种细胞类型组成，这些细胞类型有助于植物适应环境，然而在不同物种之间进行单细胞水平的响应程序比较仍然十分有限。为了探索这种多样性，我们分析了来自5种十字花科植物的20多万个根细胞，包括对压力敏感的物种（拟南芥Arabidopsis thaliana、Sisymbrium irio）、极端环境适应型植物（Eutrema salsugineum、Schrenkiella parvula）以及多倍体作物Camelina sativa，这些植物分别接受了NaCl和脱落酸（ABA）处理。我们开发了一种计算流程，用于研究十字花科植物中细胞类型基因表达的保守性和差异性，发现大约一半之前定义的拟南芥细胞类型标记物在一种或多种非拟南芥物种中无法保持其表达的保守性。因此，我们整理了一套更为精确的跨十字花科植物的标记物，并识别出那些在不同物种中表达谱发生差异的直系同源基因。通过原位杂交技术，我们将不同类型的皮层细胞群定位到各个物种的具体皮层层位，并发现黄酮类化合物的生物合成过程主要发生在内皮层，这表明皮层层的形成与代谢特化密切相关。不同物种以及不同处理条件下的细胞类型对压力响应的贡献存在差异：特定谱系的响应能力丧失虽然发生频率较低，但在进化上更为常见；而特定谱系的响应能力增强则相对较少见。在C. sativa中，各个亚基因组对压力响应的贡献相当，且具有不同响应方式的同源基因通常缺乏其他功能差异的标志。总体而言，这项工作建立了一个基础的根细胞单细胞图谱，并为多物种比较转录组学研究提供了分析框架，有助于理解压力响应如何在不同细胞类型、对压力敏感的物种以及不同作物谱系中多样化。