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郭自峰研究组利用大麦穗部时空转录组数据揭示穗发育的关键调控因子及网络
六棱大麦Morex穗部时空转录组
        大麦(Hordeum vulgare L.)属禾本科大麦属,是一年生二倍体植物、世界第四大谷物、最古老的作物之一。大麦的花序为穗状花序,着生于茎秆顶部,由中央的花序轴和两侧的小穗所组成,花序轴由15-35个节间的节片联结而成。小穗通常三枚并排着生于每一节片的顶部,称三联小穗。三联小穗的中间小穗可育,两侧生小穗可育或不育,侧生小穗不育者,其花序扁平呈二棱,为二棱大麦;侧生小穗能育者,为六棱大麦。大麦穗发育复杂,并且不同位置的小穗发育不均等,中间部位发育较快,两端较慢。在穗发育过程中,顶部位的部分小穗会发生退化,约30%-50%的颖花会自发地消亡,导致了潜在籽粒数的极大损失。因此研究大麦穗部的发育过程对于揭示花器官发育的生物学问题和提高大麦产量具有重要意义。
      中国科学院植物研究所郭自峰研究组利用六棱大麦测序品种Morex绘制了穗部发育的时空转录组图谱,该图谱覆盖大麦穗部发育的17个阶段:从芒原基期(awn primordium stage)起始至穗部完全可见后的36天(籽粒已接近完全成熟),并且因为不同部位小穗发育不均等,将每个时期的小穗从上到下分为5个部位:顶部 (Top)、中上部(Upper middle)、中部(Middle)、中下部(Lower middle)和底部(Bottom),每份组织设置3个重复,共255个样本。通对这255个样本转录组的生物信息学分析发现,在5个部位共同表达的基因9228个,根据表达模式分为15个cluster,不同cluster的表达峰值分布在不同的发育时期,调控小穗不同的发育过程,并且对不同cluster中的转录因子、激素相关基因和已知功能基因的调控关系进行网络分析。不同部位的差异表达分析发现,顶部(Top)位置的差异基因最多,1043个,包含衰老相关蛋白、生长素和BR途径、植物特有的LOB转录因子家族等基因。
      此外,基于此表达谱,鉴定到一个编码GDSL脂肪酶的HvGELP96基因,在芒原基期(awn primordium stage)到黄色花药期(yellow anther stage)的发育过程中特异高表达,是大麦小穗育性和粒数的重要调控因子。此转录图谱的发布为研究大麦的穗部发育提供了一个强大的信息资源。
      该研究成果于2023年11月 15日在线发表于Cell Reports期刊。中科院植物所助理研究员申立平、博士研究生刘洋洋为论文的共同第一作者,植物所郭自峰研究员为通讯作者。中科院植物所焦远年研究员参与并指导了该工作。
文章链接:https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(23)01453-5
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