花粉发育的转录组研究进展
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1.1.2 花粉倾向于积累花粉萌发与花粉管生长细胞 过程相关的转录本 除了表达谱与营养组织的差异外, 花粉表达转录本在不 同功能类群中的分布显示出明显的不均衡性。Pina 等 (2005)根据预测的蛋白质功能特征, 将ATH1芯片中的 8 463 个基因归类到 14 个功能类群。根据花粉以及营 养组织表达转录本及其所编码蛋白的功能特征的比较分 析发现, 营养组织和花器官转录本在这些功能类群中的 分布相对较为广泛, 而花粉转录本的分布则有明显的偏 向性。在花粉转录本中, 与转录相关的转录本被低度代 表, 而与信号、囊泡运输、细胞骨架和膜转运相关的 转录本被高度代表, 这些细胞过程是花粉萌发以及花粉 管极性生长所必需的 (Hepler et al., 2001)。此外, 花 粉中细胞壁代谢相关的转录本所占比例与营养组织的相 当, 而普通代谢和氧化代谢相关的转录本却是低度代表 的。此外, 通过芯片杂交的信号强度可以将基因的表达 丰度分为高丰度(最高强度的 10% 以上)、中等丰度(最 高强度的1%－10%)和低丰度(最高强度的1%以下)3个 类群。从不同丰度基因数量在花粉和上述4种孢子体组 织的分布来看, 花粉中高丰度转录本的比例为17%, 明 显高于各时期的孢子体组织(5.2%－8.2%)。如同转运 分子和囊泡运输元件一样, 细胞壁代谢、细胞骨架和信 号分子在花粉高丰度表达的转录本中也被高度代表。 先前的几篇有关拟南芥花粉转录组的文章中也得出了相 似的花粉基因表达模式(Becker et al., 2003; Honys and Twell, 2003, 2004; Lee and Lee, 2003)。
魏丽勤等: 花粉发育的转录组研究进展 313
包括子叶展开期植株、叶、叶柄、茎、根、根毛 区和悬浮培养细胞转录组数据比较, 发现伴随着花粉发 育与成熟, 花粉特异性转录本呈上升趋势。花粉特异性 转录本比例从单核期的6.9%到二核期的7.2%, 三核期 的 8.0%, 成熟期的 8.6%。因此, 目前的结果均表明成 熟花粉表达一套相对特异的转录本; 与营养器官相比, 其 转录本的种类减少但特异性转录本却增加。
花粉的发生发育与成熟涉及一个相对复杂的细胞与 分子过程。在其发育过程中, 二倍体的花粉母细胞通过 减数分裂产生单倍体的小孢子, 随后小孢子通过2次有 丝分裂产生功能特异化的三细胞花粉。其发育与细胞 分化过程, 涉及一系列的基因表达特性的变化, 使成熟花 粉能够合成适合其功能(花粉管极性生长、识别雌蕊等) 需要的转录本(Mascarenhas, 1993; Honys and Twell, 2004)。因此, 在基因组水平上, 分析小孢子至成熟花粉
ATH1 GeneChip(包含22 750个注释基因)覆盖了拟 南芥基因组(约有28 000个蛋白编码基因)的80%以上, 使得花粉转录组的研究可以涵盖近乎整个基因组。 2005 年, Pina 等用流式细胞仪分选了有活性的、水合 的拟南芥成熟花粉, 用ATH1 GeneChip比较了花粉与 苗、果荚、花和叶子转录组的差异, 通过 “蜗牛图像 ” 表现法(graphical “snail view”representations)和主成 分分析(principal component analysis)等方法发现成熟 花粉与营养器官的转录谱有较大差异, 而不同营养器官 间的转录谱特征比较相似。4个营养组织表达的基因数 目比例相近(花 68%、叶 62%、苗 68%、果荚 69%), 其中叶、苗和果荚分别仅有 2%、4% 和 6% 是组织特 异的; 而花粉表达基因数仅占芯片的29%, 但其中多达 11% 是花粉特异的。这在一定程度上反映了花粉为适 应其功能的需要, 其基因表达谱趋于与营养组织的不同; 也可能与 营 养 组 织 包 含 多 种 不 同 类 型 的 细 胞 、而 花 粉 的细胞组成比较简单有关(Pina et al., 2005)。 Becker等(2003)用荧光激活细胞分选方法分离纯化 有活性的水合拟南芥成熟花粉, 用8 K基因芯片得出 了相似的结论。
1 拟南芥花粉的转录组
1.1 花粉转录组的总体特点
到目前为止, 花粉转录组数据主要来源于拟南芥花粉。 有关拟南芥花粉转录组研究也仅有少量报道, 主要有3 个研究小组参与相关研究(英国莱彻斯特大学Twell D实 验室、葡萄牙里斯本大学 Feijo JA 实验室和韩国梨花 女子大学 Lee DH 实验室)。虽然不同的研究小组得到 的数据有差异, 但数据所揭示的花粉转录组的特征基本 一致。
最近几年, 国内外的一些实验室已获得了多种类型 的拟南芥(Arabidopsis thaliana)花粉发育或花粉功能突 变体 (Lalanne et al., 2004a, 2004b), 从中发现了一些 决定花粉发育或功能的重要基因。相关研究如: 证明果 胶甲基化转移酶(pectin methyleaterases)是花粉管极性 生长所必需的 (Jiang et al., 2005); 证明花粉S位点编 码的RNA酶控制着金鱼草(Antirrhinum majus)自交不亲 和性 (Qiao et al., 2004)。另外还构建了玉米(Zea mays)、百合(Lilium davidii)、烟草(Nicotiana tabacum)和 Plumbago zelanica 的精细胞 cDNA 文库, 获得了相应 cDNA 信息 (Xu et al., 1999; Engel et al., 2003)。这些成果在一定程度上扩展了我们对花粉发育 及其功能调控机制的认识。
总之, 花粉中表达一套特异的转录本, 并且不成比例 地积聚编码参与花粉萌发和花粉管生长的蛋白的转录本。
1.2 重要细胞过程相关基因在花粉中的表达特 征
关键词 拟南芥, 花粉, 水稻, 转录组 魏丽勤, 王台 (2007). 花粉发育的转录组研究进展. 植物学通报 24, 311−318.
显花植物的雄配子体(花粉)是功能高度特异化的三 细胞或二细胞生物体, 包含单倍的基因组信息。在受精 过程中, 其通过极性生长的花粉管把2个精细胞传递到 胚囊, 启动双受精。花粉管极性生长及其与雌蕊的特异 性识别与互作是保证受精结实的关键(Honys and Twell, 2004)。因此, 花粉是有性生殖的重要调控者。目前杂 种优势的利用主要是通过控制花粉育性来实现的, 对花 粉个体发育调控机制的研究可以极大地提高农业生产中 利用杂种优势的程度与范围。另一方面, 花粉的个体发 育、花粉管的极性生长以及花粉管与雌蕊的识别与互 作, 是研究细胞分裂、分化与生长以及细胞识别与细胞 间通讯等重要生命过程分子机制的良好模型 (McCormick, 1993, 2004)。近 50 年来, 这方面的研 究一直是植物科学最活跃的热点 (McCormick, 2004; Honys and Twell, 2004)。在花粉管极性生长的信号转 导机制方面已取得了重要进展, 如: 证明花粉管顶端定位 的Ca2＋梯度与顶端质膜定位的小G蛋白是调控花粉管 极性生长的重要信号分子 (Fu et al., 2001)。但由于 在过去一个较长的时期内, 大部分相关的研究主要是生 理学分析, 对上述问题的分子遗传学研究较少, 缺乏突破 性的研究进展。
收稿日期: 2007-01-08; 接受日期: 2007-01-29 基金项目: 国家自然科学基金(No. 30570147) * 通讯作者。E-mail: twang@ibcas.ac.cn
312 植物学通报 24(3) 2007
发育过程中转录组的动态变化, 揭示不同发育时期小孢 子与花粉的转录组特点及其特异表达的转录本, 比较花 粉转录组与营养细胞转录组的差异, 将会从根本上帮助 我们认识花粉功能的特异性。
同时, Pina等(2005)按GO(gene ontology)的分类 标准, 用统计学的方法在更广泛的范围内分析了不同的 GO术语(GO terms)在拟南芥花粉与不同营养组织转录
组中出现的频率。结果显示, 与信号、囊泡运输和膜 转运相关的 GO 术语在花粉中被高度代表; 而与转录、 蛋白的合成与降解以及代谢相关的GO术语在花粉转录 组中则出现的频率很低。这也与先前的分析结果相 符。翻译起始因子相关术语在雄配子体明显高频率地 出现, 而蛋白质的生物合成、核蛋白和核糖体相关的 GO 术语则很贫乏。与营养组织相比, 翻译起始因子特 异地在花粉中高频率出现可能恰恰强调了这样一个观点, 即花粉中贮存了功能特异的转录本, 当花粉萌发时及时 地翻译成与雌性组织相联系的蛋白质。
模式植物拟南芥与水稻 (Oryza sativa) 基因组测序 的完成为开展此项工作奠定了基础。目前拟南芥花粉 尤其是成熟花粉的转录组研究已取得阶段性成果, 发现 从小孢子到成熟花粉的发育过程中, 伴随着大量基因的 抑制和一些基因的激活。由于实验技术和生物信息数 据处理方面的原因, 不同研究小组之间有关花粉发育转 录组的数据还没有统一, 但这些研究已揭示了花粉转录 组的一些重要特点, 为基因组导向的特定的雄配子体发 育过程中的调控网络和细胞功能的研究奠定了基础。
1.1.1 花粉发育伴随着表达基因数量的降低及特异 性转录本的增加 Honys 和 Twell (2003)利用 8 K 拟南芥基因芯片(代表 了7 792个注释的基因, 占预测基因的28%), 比较了成 熟花粉和 4 个连续发育的孢子体植株(子叶开放期、四 叶莲座期、第一可见花芽期和第一开花期)的基因表达 特征。4 个孢子体发育时期的芯片数据来源于 GARNet 网站(http://www.Arabidposis.info)。在花粉中共检测 到 992 个转录本, 占芯片所含转录本的 13%, 而在 4 个 时期的孢子体中, 分别有 1 365、2 463、2 473 和 2 128个转录本。花粉表达转录本的数量比孢子体的减 少了 30%－60%。但是, 花粉表达转录本的 39% 是花
植物学通报 Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (3): 311−318, www.chinbullbotany.com
.综述.
花粉发育的转录组研究进展
魏丽勤, 王台 *
中国科学院植物研究所分子与发育生物学研究中心, 北京 100093
摘要 在受精过程中花粉通过其极性生长的花粉管将精细胞运送到胚囊启动双受精, 除了在有性生殖过程中的重要作用外, 花粉及其极性生长的花粉管也是研究植物生长发育的重要模式材料。随着模式植物拟南芥和水稻基因组测序的完成, 在基因 组水平上揭示花粉发育以及花粉管极性生长的分子基础已成为可能。经过最近几年的研究已初步明确了花粉转录组特征。本 文主要讨论了拟南芥花粉转录组学的研究进展, 以期帮助读者对花粉发育的研究有全面了解。
2004 年, Honys 和 Twell 利用 ATH1 GeneChip 分 析了拟南芥花粉不同发育时期(单核期、二核期、三核 期和成熟花粉)转录组动态特征, 在单核期、二核期、 三核期和成熟花粉中分Fra Baidu bibliotek检测到 11 565、11 909、 8 788 和 7 235 种转录本。表明随着花粉发育与成熟, 转录本的种类呈下降趋势, 这种下降趋势在二核和三核 花粉期更加明显。通过与已经公布的多种孢子体组织,
粉特异的, 其余61%至少在一个或几个时期的孢子体中 存在; 相反在 4 个孢子体中, 特异性转录本不超过 8%。 这表明虽然花粉中表达的总转录本数量较孢子体少, 但 其特异性表达的转录本却高于孢子体。此外, 如果将单 个基因的表达水平规一化为0－100, 用散点图分析发现 花粉表达基因与孢子体表达基因之间缺乏相关性, 而孢 子体样品间的成对比较则显示这4个孢子体植株的转录 组特征趋于一致。表明花粉有着独特的转录组组成,在 其相对较小的转录组中包含了高比例的花粉特异性的转 录本。
魏丽勤等: 花粉发育的转录组研究进展 313
包括子叶展开期植株、叶、叶柄、茎、根、根毛 区和悬浮培养细胞转录组数据比较, 发现伴随着花粉发 育与成熟, 花粉特异性转录本呈上升趋势。花粉特异性 转录本比例从单核期的6.9%到二核期的7.2%, 三核期 的 8.0%, 成熟期的 8.6%。因此, 目前的结果均表明成 熟花粉表达一套相对特异的转录本; 与营养器官相比, 其 转录本的种类减少但特异性转录本却增加。
花粉的发生发育与成熟涉及一个相对复杂的细胞与 分子过程。在其发育过程中, 二倍体的花粉母细胞通过 减数分裂产生单倍体的小孢子, 随后小孢子通过2次有 丝分裂产生功能特异化的三细胞花粉。其发育与细胞 分化过程, 涉及一系列的基因表达特性的变化, 使成熟花 粉能够合成适合其功能(花粉管极性生长、识别雌蕊等) 需要的转录本(Mascarenhas, 1993; Honys and Twell, 2004)。因此, 在基因组水平上, 分析小孢子至成熟花粉
ATH1 GeneChip(包含22 750个注释基因)覆盖了拟 南芥基因组(约有28 000个蛋白编码基因)的80%以上, 使得花粉转录组的研究可以涵盖近乎整个基因组。 2005 年, Pina 等用流式细胞仪分选了有活性的、水合 的拟南芥成熟花粉, 用ATH1 GeneChip比较了花粉与 苗、果荚、花和叶子转录组的差异, 通过 “蜗牛图像 ” 表现法(graphical “snail view”representations)和主成 分分析(principal component analysis)等方法发现成熟 花粉与营养器官的转录谱有较大差异, 而不同营养器官 间的转录谱特征比较相似。4个营养组织表达的基因数 目比例相近(花 68%、叶 62%、苗 68%、果荚 69%), 其中叶、苗和果荚分别仅有 2%、4% 和 6% 是组织特 异的; 而花粉表达基因数仅占芯片的29%, 但其中多达 11% 是花粉特异的。这在一定程度上反映了花粉为适 应其功能的需要, 其基因表达谱趋于与营养组织的不同; 也可能与 营 养 组 织 包 含 多 种 不 同 类 型 的 细 胞 、而 花 粉 的细胞组成比较简单有关(Pina et al., 2005)。 Becker等(2003)用荧光激活细胞分选方法分离纯化 有活性的水合拟南芥成熟花粉, 用8 K基因芯片得出 了相似的结论。
1 拟南芥花粉的转录组
1.1 花粉转录组的总体特点
到目前为止, 花粉转录组数据主要来源于拟南芥花粉。 有关拟南芥花粉转录组研究也仅有少量报道, 主要有3 个研究小组参与相关研究(英国莱彻斯特大学Twell D实 验室、葡萄牙里斯本大学 Feijo JA 实验室和韩国梨花 女子大学 Lee DH 实验室)。虽然不同的研究小组得到 的数据有差异, 但数据所揭示的花粉转录组的特征基本 一致。
最近几年, 国内外的一些实验室已获得了多种类型 的拟南芥(Arabidopsis thaliana)花粉发育或花粉功能突 变体 (Lalanne et al., 2004a, 2004b), 从中发现了一些 决定花粉发育或功能的重要基因。相关研究如: 证明果 胶甲基化转移酶(pectin methyleaterases)是花粉管极性 生长所必需的 (Jiang et al., 2005); 证明花粉S位点编 码的RNA酶控制着金鱼草(Antirrhinum majus)自交不亲 和性 (Qiao et al., 2004)。另外还构建了玉米(Zea mays)、百合(Lilium davidii)、烟草(Nicotiana tabacum)和 Plumbago zelanica 的精细胞 cDNA 文库, 获得了相应 cDNA 信息 (Xu et al., 1999; Engel et al., 2003)。这些成果在一定程度上扩展了我们对花粉发育 及其功能调控机制的认识。
总之, 花粉中表达一套特异的转录本, 并且不成比例 地积聚编码参与花粉萌发和花粉管生长的蛋白的转录本。
1.2 重要细胞过程相关基因在花粉中的表达特 征
关键词 拟南芥, 花粉, 水稻, 转录组 魏丽勤, 王台 (2007). 花粉发育的转录组研究进展. 植物学通报 24, 311−318.
显花植物的雄配子体(花粉)是功能高度特异化的三 细胞或二细胞生物体, 包含单倍的基因组信息。在受精 过程中, 其通过极性生长的花粉管把2个精细胞传递到 胚囊, 启动双受精。花粉管极性生长及其与雌蕊的特异 性识别与互作是保证受精结实的关键(Honys and Twell, 2004)。因此, 花粉是有性生殖的重要调控者。目前杂 种优势的利用主要是通过控制花粉育性来实现的, 对花 粉个体发育调控机制的研究可以极大地提高农业生产中 利用杂种优势的程度与范围。另一方面, 花粉的个体发 育、花粉管的极性生长以及花粉管与雌蕊的识别与互 作, 是研究细胞分裂、分化与生长以及细胞识别与细胞 间通讯等重要生命过程分子机制的良好模型 (McCormick, 1993, 2004)。近 50 年来, 这方面的研 究一直是植物科学最活跃的热点 (McCormick, 2004; Honys and Twell, 2004)。在花粉管极性生长的信号转 导机制方面已取得了重要进展, 如: 证明花粉管顶端定位 的Ca2＋梯度与顶端质膜定位的小G蛋白是调控花粉管 极性生长的重要信号分子 (Fu et al., 2001)。但由于 在过去一个较长的时期内, 大部分相关的研究主要是生 理学分析, 对上述问题的分子遗传学研究较少, 缺乏突破 性的研究进展。
收稿日期: 2007-01-08; 接受日期: 2007-01-29 基金项目: 国家自然科学基金(No. 30570147) * 通讯作者。E-mail: twang@ibcas.ac.cn
312 植物学通报 24(3) 2007
发育过程中转录组的动态变化, 揭示不同发育时期小孢 子与花粉的转录组特点及其特异表达的转录本, 比较花 粉转录组与营养细胞转录组的差异, 将会从根本上帮助 我们认识花粉功能的特异性。
同时, Pina等(2005)按GO(gene ontology)的分类 标准, 用统计学的方法在更广泛的范围内分析了不同的 GO术语(GO terms)在拟南芥花粉与不同营养组织转录
组中出现的频率。结果显示, 与信号、囊泡运输和膜 转运相关的 GO 术语在花粉中被高度代表; 而与转录、 蛋白的合成与降解以及代谢相关的GO术语在花粉转录 组中则出现的频率很低。这也与先前的分析结果相 符。翻译起始因子相关术语在雄配子体明显高频率地 出现, 而蛋白质的生物合成、核蛋白和核糖体相关的 GO 术语则很贫乏。与营养组织相比, 翻译起始因子特 异地在花粉中高频率出现可能恰恰强调了这样一个观点, 即花粉中贮存了功能特异的转录本, 当花粉萌发时及时 地翻译成与雌性组织相联系的蛋白质。
模式植物拟南芥与水稻 (Oryza sativa) 基因组测序 的完成为开展此项工作奠定了基础。目前拟南芥花粉 尤其是成熟花粉的转录组研究已取得阶段性成果, 发现 从小孢子到成熟花粉的发育过程中, 伴随着大量基因的 抑制和一些基因的激活。由于实验技术和生物信息数 据处理方面的原因, 不同研究小组之间有关花粉发育转 录组的数据还没有统一, 但这些研究已揭示了花粉转录 组的一些重要特点, 为基因组导向的特定的雄配子体发 育过程中的调控网络和细胞功能的研究奠定了基础。
1.1.1 花粉发育伴随着表达基因数量的降低及特异 性转录本的增加 Honys 和 Twell (2003)利用 8 K 拟南芥基因芯片(代表 了7 792个注释的基因, 占预测基因的28%), 比较了成 熟花粉和 4 个连续发育的孢子体植株(子叶开放期、四 叶莲座期、第一可见花芽期和第一开花期)的基因表达 特征。4 个孢子体发育时期的芯片数据来源于 GARNet 网站(http://www.Arabidposis.info)。在花粉中共检测 到 992 个转录本, 占芯片所含转录本的 13%, 而在 4 个 时期的孢子体中, 分别有 1 365、2 463、2 473 和 2 128个转录本。花粉表达转录本的数量比孢子体的减 少了 30%－60%。但是, 花粉表达转录本的 39% 是花
植物学通报 Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (3): 311−318, www.chinbullbotany.com
.综述.
花粉发育的转录组研究进展
魏丽勤, 王台 *
中国科学院植物研究所分子与发育生物学研究中心, 北京 100093
摘要 在受精过程中花粉通过其极性生长的花粉管将精细胞运送到胚囊启动双受精, 除了在有性生殖过程中的重要作用外, 花粉及其极性生长的花粉管也是研究植物生长发育的重要模式材料。随着模式植物拟南芥和水稻基因组测序的完成, 在基因 组水平上揭示花粉发育以及花粉管极性生长的分子基础已成为可能。经过最近几年的研究已初步明确了花粉转录组特征。本 文主要讨论了拟南芥花粉转录组学的研究进展, 以期帮助读者对花粉发育的研究有全面了解。
2004 年, Honys 和 Twell 利用 ATH1 GeneChip 分 析了拟南芥花粉不同发育时期(单核期、二核期、三核 期和成熟花粉)转录组动态特征, 在单核期、二核期、 三核期和成熟花粉中分Fra Baidu bibliotek检测到 11 565、11 909、 8 788 和 7 235 种转录本。表明随着花粉发育与成熟, 转录本的种类呈下降趋势, 这种下降趋势在二核和三核 花粉期更加明显。通过与已经公布的多种孢子体组织,
粉特异的, 其余61%至少在一个或几个时期的孢子体中 存在; 相反在 4 个孢子体中, 特异性转录本不超过 8%。 这表明虽然花粉中表达的总转录本数量较孢子体少, 但 其特异性表达的转录本却高于孢子体。此外, 如果将单 个基因的表达水平规一化为0－100, 用散点图分析发现 花粉表达基因与孢子体表达基因之间缺乏相关性, 而孢 子体样品间的成对比较则显示这4个孢子体植株的转录 组特征趋于一致。表明花粉有着独特的转录组组成,在 其相对较小的转录组中包含了高比例的花粉特异性的转 录本。