孫蒙祥研究組攻克植物早期胚胎發(fā)生過程中長期迷惑不解的難題
5月9日，Cell著名子刊Developmental Cell（發(fā)育細胞）在線發(fā)表了武漢大學孫蒙祥教授團隊題為“Two-Step Maternal-to-Zygotic Transition with Two-Phase Parental Genome Contributions（父、母親本基因組在植物胚胎由母本控制向合子控制轉(zhuǎn)換過程中的貢獻）”的研究論文。該研究工作系統(tǒng)地分析了植物母本控制開始轉(zhuǎn)換到合子控制轉(zhuǎn)換的特點，為該領(lǐng)域長期迷惑不解的問題提供了明確可信的答案，也為相關(guān)研究突破技術(shù)瓶頸提供了范例。該論文第一作者是武漢大學青年教師趙鵬，孫蒙祥教授為責任作者。武漢菲沙基因劉丹妮和程艷兵參與了該研究的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析工作。本論文受到國家自然科學基金和中國科協(xié)青年人才托舉工程項目的支持。
該研究團隊以雙子葉植物擬南芥為材料，建立了一系列單細胞操作技術(shù)，成功分離了深埋在母體組織內(nèi)生活卵細胞、合子及早期胚胎；并利用單細胞測序技術(shù)解析了卵細胞、受精卵及早期胚胎的表達譜特征，構(gòu)建了目前最為完整的擬南芥卵細胞、合子和早期胚胎表達譜數(shù)據(jù)庫。研究團隊發(fā)現(xiàn)植物ZGA與動物一樣，具有母本信息清除和合子基因組激活兩個過程。但植物受精卵基因組激活的時間進程及父、母親本雙方的貢獻具有區(qū)別于動物的獨特性；該研究從全基因組水平證實了合子基因組的激活在受精卵時期已經(jīng)開始，遠遠早于動物。同時，他們通過構(gòu)建擬南芥雜種合子表達譜并結(jié)合獨特的胚珠培養(yǎng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)植物受精卵發(fā)育具有兩個典型階段，早期發(fā)育調(diào)控信息主要來自于卵細胞，而后期合子極性的建立及啟動細胞分裂則需要來自于合子的從頭合成的新轉(zhuǎn)錄本。
受精與早期胚胎發(fā)生是被子植物賴以傳宗接代、形成種子的重要發(fā)育過程，長期以來一直是植物發(fā)育生物學研究領(lǐng)域的熱點和難點。其中一個重要的發(fā)育事件是合子基因組激活(ZGA, zygotic genome activation)，合子基因激活標志著發(fā)育過程由母本控制開始轉(zhuǎn)換到合子控制(maternal-to-zygotic transition)，此時胚胎開始合成自己的mRNA和蛋白質(zhì)，而不再依賴于卵細胞中儲藏的母本mRNA和蛋白質(zhì)，意味著胚胎發(fā)育程序的建立。動物合子的早期發(fā)育信息儲存于卵細胞內(nèi)，其合子基因激活發(fā)生于多細胞胚胎期，因而其早期發(fā)育是母本信息控制的（maternal control）。而植物中母本控制到合子控制轉(zhuǎn)換的時間以及父、母親本雙方在早期胚胎發(fā)生過程的貢獻，由于植物卵細胞與早期胚胎發(fā)生過程歷時很短且深埋在母體組織內(nèi)，開展相關(guān)研究工作十分艱難。但我校生命科學學院孫蒙祥研究組打破技術(shù)壁壘，使這一問題迎刃而解。
圖注：植物胚胎由母本控制向合子控制轉(zhuǎn)換過程
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