JGG | 中国科大马世嵩团队开发气孔成熟组学分析方法挖掘关键调控基因

气孔是植物与环境进行气体和水分交换的重要门户，在调节植物新陈代谢、生长发育以及胁迫响应等方面发挥重要作用。气孔谱系细胞的发育起始于原表皮细胞，经过一系列细胞分裂和分化过程，依次形成拟分生母细胞、拟分生组织细胞和气孔世系基细胞、保卫细胞母细胞及年轻保卫细胞，年轻保卫细胞随后经过一系列的成熟及功能建成过程，包括细胞壁修饰等，最终发育形成一对高度特化的成熟保卫细胞。其中，环向交联纤维素微原纤维 (CMFs) 赋予了成熟保卫细胞环形刚度，这一特性限制了保卫细胞在横截面方向上因膨压增加而导致的宽度增大，对于气孔孔径大小的调节至关重要。虽然在拟南芥中已经发现众多调控气孔早期发育的关键因子，但关于年轻保卫细胞如何发育成功能完备的成熟气孔，特别是保卫细胞环形刚度的调控机制，我们尚知之甚少。

近日，中国科学技术大学马世嵩教授团队在Journal of Genetics and Genomics题为“Stomatal maturomics: hunting genes regulating guard cell maturation and function formation from single-cell transcriptomes”的研究论文。该研究开发了一套气孔成熟组学分析方法( 成熟组学在此定义为研究特定细胞或器官成熟和功能建成过程的组学研究)，获取了一个在成熟保卫细胞中特异上调表达的基因集sc_586，从中挖掘并验证了调控成熟保卫细胞大小和环形刚度的转录因子基因 MYS1和 MYS2，为系统研究气孔形态建成及气孔运动调控机制提供了大量可靠候选基因。

该研究从此前构建的基因共表达网络AtGGM2014中挖掘出与气孔发育过程中细胞属性及细胞分裂活动相关的基因模块，用于在三组公开可用且与气孔相关的拟南芥单细胞转录组数据集中识别处于气孔谱系不同发育阶段的细胞群。随后，通过拟时间序列分析和基因差异表达分析，寻找在成熟保卫细胞中表达量高于表皮细胞或气孔发育早期细胞的基因，得到了由586个在三组单细胞数据的气孔成熟期均上调表达的基因组成的基因集sc_586。该基因集包含许多已知的调控气孔成熟和相关功能的基因，GO富集分析表明该基因集富含气孔运动相关基因和转运体活性相关基因，因此，该基因集中尚未被研究的基因可视为气孔形态和功能的潜在调控因子。为了验证基因集sc_586的可靠性，该研究从sc_586中选取了两个亲缘关系较近的G2-like家族转录因子基因 MYS1和 MYS2，研究它们在气孔中的作用。组织定位分析表明， MYS1和 MYS2在成熟保卫细胞中特异性表达。突变体分析表明，双突变体 mys1 mys2的气孔显著大于野生型，且保卫细胞中心点的宽度相比于其他部位显著增大，导致气孔形状改变，并阻碍了气孔有效开放。具体表现为 mys1 mys2的气孔宽度虽大，但气孔开度明显小于野生型，且部分气孔在体积已膨胀到最大的情况下，气孔孔径仍然无法打开。以上结果表明，MYS1和MYS2冗余调控成熟保卫细胞大小和环形刚度，进而影响保卫细胞形状及对气孔孔径的有效调控。

A和B: 通过两次基因差异表达分析获取基因集sc_586的流程图(A)和韦恩图(B)；C: 基因集sc_586的GO富集分析；D: MYS1和MYS2在气孔谱系细胞中的表达模式；E: 野生型(WT)和突变体mys1 mys2的气孔大小；F: ABA处理前后WT和突变体mys1 mys2保卫细胞的宽度比；G和H: WT和突变体mys1 mys2的气孔宽度(G)和气孔孔径(H)；I: WT和突变体mys1 mys2在气孔开放缓冲液中处理两小时后宽度最大的气孔。

综上所述，该研究开发了一套气孔成熟组学分析方法，基于单细胞分析获取了一个富含调控气孔成熟和功能建成的关键基因的基因集sc_586，进一步研究发现其中的两个转录因子基因MYS1和MYS2在气孔成熟过程中调控保卫细胞体积大小和环形刚度，为系统研究气孔形态建成及气孔运动调控机制提供了参考。

作者简介

中国科学技术大学生命科学与医学部已毕业博士生彭煜茗和硕士生刘意为该论文第一作者，中国科学技术大学生命科学与医学部马世嵩教授为通讯作者。中国科学技术大学生命科学与医学部博士生王羿帆、耿振兴和秦悦也参与了此项研究。相关研究得到中国科学院先导专项及国家自然科学基金的资助。