Dev. Cell｜武汉大学孙蒙祥研究组揭秘植物早期胚胎发生母本控制转换到合子控制的过程

　　受精与早期胚胎发生是被子植物赖以传宗接代、形成种子的重要发育过程，长期以来一直是植物发育生物学研究领域的热点和难点。其中一个重要的发育事件是合子基因组激活(ZGA, zygotic genome activation)，ZGA标志着发育过程由母本控制开始转换到合子控制(MZT, maternal-to-zygotic transition)，此时胚胎发育程序正式建立。

　　动物合子的早期发育信息储存于卵细胞内，其合子基因激活发生于多细胞胚胎期，因而其早期发育是母本信息控制的（maternal control）。而植物中母本控制到合子控制转换的时间以及父、母亲本双方在早期胚胎发生过程的贡献，争论至今，尚无明确答案。由于植物卵细胞与早期胚胎发生过程历时很短且深埋在母体组织内，开展卵细胞、合子和早期胚胎相关研究工作十分艰难。

　　近日，武汉大学生命科学学院孙蒙祥团队解析了植物卵细胞、受精卵及早期胚胎的表达谱特征。结果表明，植物受精卵发育具有两个典型阶段，早期发育调控信息主要来自于卵细胞，而后期合子极性的建立及启动细胞分裂则需要来自于合子中新合成转录本。相关结果以Two-Step Maternal-to-Zygotic Transition with Two-Phase Parental Genome Contributions为题发表在Developmental Cell上。

　　研究者以双子叶植物拟南芥为材料，建立了一系列单细胞操作技术，成功分离了深埋在母体组织内的卵细胞(EC)、授粉后14小时的合子--球形受精卵(Zy14)、授粉后24小时的合子—长形受精卵(Zy24)、单细胞胚胎(1C)和32细胞胚胎 (32C)；并利用单细胞测序技术对卵细胞、受精卵及早期胚胎进行转录组测序，构建了目前最为完整的拟南芥卵细胞、合子和早期胚胎表达谱数据库。

　　研究者对5个不同阶段的细胞表达基因进行共表达网络分析（WGCNA），结果显示Zy14和Zy24两个阶段转录谱发生显著重建。基因表达分析发现数百个基因在卵细胞中高表达，而在受精卵和早期胚胎中明显下调直至消失，这些结果表明，母体转录本的清除发生在受精后不久。

　　研究者们发现693个在卵细胞中不表达的基因在受精后不久就开始转录。同时，在Zy14阶段有2625个基因显著上调，Zy24阶段上调基因达到2951个。说明ZGA在合子分裂前启动。

　　为进一步确认新转录本对合子极性建立的影响，研究者在体外微培养系统中采用转录抑制剂a-amanitin以阻断合子中的新转录的产生。结果证实，新生转录本是合子极性建立和不对称分裂所必需的。

　　为研究父、母亲本对合子从头转录的贡献，研究者分析了14 HAP （Zy14）和24 HAP （Zy24）杂种合子的转录组。非常有意思的是，Zy14中66.1%的reads来自母本，而Zy24中来自母本、父本的reads数目基本相当。这些结果表明，父、母本对合子转录组的贡献呈阶段性;第一个阶段是由母本主导的转录组，第二个阶段则父母基因组贡献相同。

　　综上所述，该研究从全基因组水平证实了合子基因组的激活在受精卵时期已经开始，远远早于动物。植物受精卵发育具有两个典型阶段，早期发育遗传信息调控主要来自于卵细胞，而后期合子极性的建立及启动细胞分裂则需要来自于合子的从头合成的新转录本。

　　该研究工作系统地分析了植物母本控制转换为合子控制的特点，为该领域长期迷惑不解的问题提供了明确可信的答案，也为相关研究突破技术瓶颈提供了范例。

　　该论文第一作者是武汉大学青年教师赵鹏，孙蒙祥教授为责任作者；武汉菲沙基因刘丹妮和程艳兵参与了该研究的转录组数据分析工作。本论文受到国家自然科学基金和中国科协青年人才托举工程项目的支持。