单细胞核RNA测序技术建立了种子早期胚乳发育的转录图谱

　　种子是裸子植物和被子植物特有的繁殖体，是胚珠经过受精以后形成的结构，在植物生命周期中处于关键位置。种子主要由种皮、胚和胚乳组成。其中胚乳是大多数开花植物双受精后产生的组织，一般为三倍体（每个细胞核有三套染色体），胚乳中含有丰富的营养物质，是人类消耗热量的主要来源。

　　基因组印迹是一种表观遗传基因调控过程，可以导致父系和母系遗传等位基因的表达差异，胚乳是基因印迹的发生的主要部位。虽然胚乳在植物整个生育期中只是短暂的存在形式，但其经历了一个独特的发育过程，主要包括三个形态和空间上差异的结构域：珠孔结构域围绕着胚；接合点结构域位于远离胚的另一端；外周结构域位于中间。前期的研究已对三个胚乳区域的基因表达模式进行了分析，然而尚不清楚区域内是否存在细胞类型的异质性。此外，目前我们对胚乳生物学的了解也相对较少。

　　5月31日，来自美国的研究团队在Nature Plants发表了题为Transcriptional and imprinting complexity in Arabidopsis seeds at single-nucleus resolution的研究论文，利用单细胞核RNA测序技术建立了拟南芥种子早期胚乳发育过程中的转录图谱，并对其基因组印迹动力学进行了探究。Nature Plants同期发表了题为Profiling the endosperm, one nucleus at a time的评论文章，进一步对该工作进行了介绍。

　　在该研究中，研究人员首先根据胚乳早期发育的特点，分离出细胞核，进行单核RNA测序，获得了1437个胚乳细胞核的高质量转录组，经过聚类分析和母体每个核的等位基因表达率分析，发现74%的核来自授粉后4天野生型Col和Cvi互交的F1代种子，这些核将作为后续分析的重点。为了验证聚类分析结果是否可靠，研究人员评估了在特定种皮细胞层中已知表达基因的表达情况，并对其差异表达的基因进行了基因本体（GO）富集分析，结果显示聚类和特征与已知的种皮细胞类型相一致，同时作者首次提供了种皮不同层和区域的全基因表达数据集。随后，研究人员将分析方法应用到Col-Cvi胚乳中分离的802个胚乳核，发现三个已知的胚乳结构域中存在未被描述的转录异质性，通过评估三个胚乳结构域中已知标记基因的表达、差异表达基因和基因本体学富集分析、原位杂交集群特异性转录本和细胞周期轨迹分析，作者发现了几个对应于珠孔和外周胚乳核的胚乳集群，一些与细胞周期差异有关，另一些与假定的功能差异有关。

　　Distinct nuclei types in Arabidopsis endosperm

　　研究人员对接合点处胚乳群中特异性表达的标记基因进行了RNA原位杂交，结果表明CxV E12簇和VxC E1簇对应接合点，而CxV E13簇和VxC E6簇对应胚囊，值得注意的是，尽管接合点处胚乳中缺乏细胞膜和细胞壁，物理上相邻的结节和胚囊的核质区域并没有共享集群特异性基因的表达，这些数据首次对这些类型细胞核的转录组描述，为进一步了解发育和功能差异提供了基础。分析发现接合处胚乳核主要集中在G1期、G1/S期、S期和G2期，很少集中在M期，说明它们复制发生在核内，发现胚囊主要由不分裂或很少处于S期的细胞核组成。研究人员经过分析，发现胚囊内泛素依赖的蛋白质分解代谢和韧皮部蔗糖卸载比较活跃，韧皮部蔗糖卸载相关基因的富集与胚囊的营养传递功能相一致，表明了接合点胚乳可能包括两种空间上、发育上和转录上不同的核类型。然后，研究人员利用等位基因的特异性来检查胚乳核簇的印迹表达，虽然基因印迹明显偏向与来自于母体或父体等位基因的表达，但很少有基因只来自一个等位基因，了解胚乳基因印迹是否具有异质性，对于了解基因印迹的细胞功能和生理功能及其潜在的表观遗传学基础具有重要意义。

　　Single-nucleus transcriptomics of Arabidopsis endosperm identifies transcriptional signatures of the four endosperm compartments

　　研究人员还开发了一个新的分析框架，用于单核RNA测序印迹的数据评估，该框架适合类似于胚乳这种父本母本等位基因剂量不成等比的情况。为了确定印迹基因是否在特定核类型中优先表达，研究人员检测了胚乳集群的总表达模式和等位基因表达模式，结果表明，不同类型的胚乳细胞核基因组印迹存在异质性。印迹基因表达受表观遗传学调控，DNA甲基化和PRC2组蛋白标记H3K27me3在调节差异等位基因表达中发挥重要作用，本研究中作者获得了一些表观遗传调节因子调控胚乳中印迹基因表达的数据，需要进一步通过实验证实。研究人员还检查了MEG和PEG表达模式作为细胞周期的功能，发现MEG表达可能对DNA复制过程中短暂发生的表观遗传状态终端特别敏感。

　　综上所述，该研究证实了拟南芥胚乳中包含未被描述过的细胞核差异转录多样性，这项工作首次确定基因印迹在整个细胞周期中是动态的，并且印迹基因子集的细胞或细胞核类型之间是异质性的。该研究发现了PEG在接合点胚乳区域具有最强烈的父系倾向性，对于有花植物和哺乳动物的基因印迹进化提供了新的见解。该研究开发出针对细胞/细胞核类型的特异性检测方法，这对基因印迹的调控机制研究有许多启发，同时，研究结果有助于理解表观遗传对其他物种尤其是农作物种子发育的调节机制。