综合细胞学和转录组学分析揭示了斑叶凤仙花（Impatiens uliginosa）叶片形状变异的分子机制

《BMC Plant Biology》：Integrated cytological and transcriptomic analyses reveal the molecular basis of spur variation in Impatiens uliginosa

　　

摘要

背景

刺状结构是Impatiens uliginosa中的关键形态特征，在吸引特定传粉者、提高授粉效率以及促进种间生殖隔离方面发挥着重要作用。尽管其生态和进化意义已得到广泛研究，但刺状结构形成的细胞学和分子机制，尤其是在非模式植物中，仍知之甚少。在本研究中，我们使用了具有单个刺状结构的野生型（WT）植株、两个刺状结构的突变体（2SM）以及三个刺状结构的突变体（3SM）。通过结合形态测量分析、细胞学检查和转录组测序，我们首次在分子水平上确定了与刺状结构变异相关的候选基因和激素调控网络。这项研究为Impatiens uliginosa及整个Impatiens属植物的刺状结构形成提供了新的分子机制见解。

结果

我们对WT和突变体Impatiens uliginosa的刺状结构发育动态进行了分析，发现刺状结构的生长遵循典型的S形曲线，侧生刺状结构明显短于主刺状结构。这两种刺状结构的细胞发育机制相似：初期刺状结构的形成主要由细胞分裂驱动，而后续的伸长主要依赖于细胞膨胀，内部细胞突起的形成则受各向异性细胞生长的调控。对早期刺状结构进行转录组测序获得了32.69 Gb的高质量数据，从中组装出了42,721个单基因。通过NR、Swiss-Prot、Pfam、COG、GO和KEGG数据库的功能注释，共鉴定出24,031个基因。差异表达分析发现了8,592个差异表达基因（DEGs），这些基因富集在371个GO术语和111个KEGG通路中。值得注意的是，“植物激素信号转导”通路在突变体刺状结构中表现出最高的富集度。共鉴定出属于34个家族的955个转录因子（TFs），包括MYB、AP2/ERF和TCP家族。通过qRT-PCR验证，确定了10个可能与刺状结构变异相关的候选基因，包括、PDF1和GID2。

结论

本研究阐明了WT和突变体Impatiens uliginosa中刺状结构的形态和细胞发育机制，并鉴定出与刺状结构变异相关的一系列候选基因，涉及细胞周期、细胞分裂、细胞伸长和植物激素等方面。这些发现为进一步揭示Impatiens物种中刺状结构变异的分子机制提供了宝贵的数据和资源。