Genome Biology | 戚继/国春策团队合作发表睡莲花发育与进化研究新成果

近日，复旦大学戚继课题组与江西农业大学国春策课题组合作在国际学术期刊Genome Biology发表题为Spatiotemporal transcriptome atlas of water lily floral organogenesis provides insight to the evolutionary origin of petals in basal angiosperms 的研究论文。该研究以基部被子植物蓝星睡莲（Nymphaea colorata）为研究对象，利用空间转录组技术系统解析花器官从分生组织分化、器官身份建立到形态建成过程中的时空基因表达动态，揭示了内轮花被片与雄蕊之间连续的发育关系及其潜在分子机制，并进一步通过系统发育基因组学分析发现，参与花瓣发育的大多数基因家族在种子植物出现以前已经存在。研究结果为花瓣可能由生殖器官进化而来的假说提供了新的发育与分子证据，也为理解被子植物花器官等新性状的进化机制提供了新的视角。

花是被子植物最重要的进化创新之一。花瓣具有保护生殖器官、吸引传粉者等功能，并在被子植物与动物传粉者的协同进化过程中发挥了重要作用,然而其在裸子植物中缺少明确的对应结构，进化起源长期存在争议。传统形态学研究提出花瓣可能由叶状苞片进化而来，也可能源于雄蕊等生殖器官的逐步不育化和形态转变。由于这些过程发生在被子植物早期进化阶段，仅依赖现生植物形态比较和化石记录，很难直接重建其发育过程和分子基础。

睡莲属于现存被子植物较早分化的类群，其花器官呈螺旋状排列，外轮与内轮花被片以及雄蕊之间具有明显的连续形态变化。同时，与真双子叶植物中花器官身份基因具有清晰表达边界不同，睡莲MADS-box花器官身份基因在相邻器官之间呈现广泛重叠的“渐变边界（fading borders）”特征。因此，睡莲为研究早期被子植物花器官身份的建立及花瓣起源提供了重要的进化发育模型。

为解析这一过程，研究团队选取蓝星睡莲多个连续花发育阶段开展空间转录组测序，并结合细胞类型识别、发育轨迹重建、RNA原位杂交、MADS-box蛋白复合体定量建模以及系统发育基因组学分析，构建了睡莲早期花器官发生的时空转录组图谱（图1）。研究不仅识别了花被片、雄蕊、心皮和胚珠等不同组织，还进一步解析了花器官基部此前难以区分的多个分生组织细胞群体。

图1. 蓝星睡莲早期花器官发生的空间转录组图谱及不同花器官的连续形态变化。

研究发现，在睡莲花发育早期，花器官基部持续存在多个具有分生组织特征的细胞群体。通过整合不同发育时期的数据，研究团队进一步将这些细胞划分为四种转录状态。它们沿花器官的近-远端呈层级排列，其分生组织潜能随发育逐步降低，并依次与不同花器官原基的形成相联系。其中位于发育轨迹远端的M3细胞群与雄蕊和内轮花被片的发生同时相关，提示两类器官在早期发育阶段可能来源于共享的分生组织祖先，并在后续器官发生过程中逐渐形成不同的发育命运（图2）。

研究发现KNOX、BOP、HD-ZIP III以及细胞周期相关基因在这些分生组织群体中呈现梯度表达变化促进近-远端极性的建立和细胞增殖状态的改变。这一发现为理解早期被子植物复杂花器官如何从共同的分生组织体系中逐步分化提供了细胞和分子基础。

图2. 睡莲花器官基部分生组织细胞群的层级结构及连续分化过程。

进一步分析显示从雄蕊原基到逐渐成熟的雄蕊再到内轮和外轮花被片，相邻发育阶段器官之间具有极高的转录相似性，这种连续变化尤其集中体现在决定花器官身份的MADS-box基因中。经典“花器官四聚体模型”认为，不同MADS-box蛋白形成特定的四聚体复合物，从而决定花器官身份。研究发现，睡莲中的AGL6、AP3、PI、AG和SEP等关键MADS-box基因并没有形成严格的器官表达边界，而是在花器官之间表现出连续的表达量变化。RNA原位杂交实验进一步验证了这些基因在相邻花器官中广泛而部分重叠的表达模式。

基于这些空间表达数据，研究团队建立了MADS-box四聚体定量模型，模拟不同花器官中花瓣身份、雄蕊身份等四聚体复合物的相对组成。结果显示从早期雄蕊原基到成熟雄蕊，再到内轮花被片，雄蕊身份四聚体所占比例逐渐下降，而花瓣身份四聚体持续增加。以较晚形成的雄蕊为例，其四聚体组成仍以雄蕊身份为主，同时已经出现一定比例的花瓣身份成分；进入内轮花被片后，花瓣身份复合物成为主要组成，而雄蕊身份成分仍有部分保留（图3）。这一结果表明MADS-box调控因子的剂量变化及不同复合物之间比例的连续调整可以驱动器官身份逐渐改变。

图3. MADS-box基因的“渐变边界”及四聚体组成变化揭示雄蕊向内轮花被片的连续器官身份转变。

为了进一步解析雄蕊和内轮花被片在形态建成过程中如何最终形成不同器官，研究团队重建了从早期雄蕊原基到成熟雄蕊和内轮花被片的发育轨迹，并鉴定出1,500多个随发育过程动态变化的基因。这些基因形成三个连续激活的调控模块：早期阶段主要涉及分生组织维持、细胞增殖以及生长素和细胞分裂素调控；中间阶段逐渐增强赤霉素和油菜素内酯相关的器官分化程序；进入内轮花被片后，则明显激活器官极性建立、光合作用、环境响应以及乙烯相关调控网络。这说明花瓣在从雄蕊样祖先发育程序中逐渐获得独立身份的同时，又进一步募集了原本参与叶片和其他营养器官发育的遗传模块（图4）。

图4. 雄蕊与内轮花被片的发育轨迹及花瓣形态建成过程中不同调控模块的依次募集。

研究团队进一步对12种代表性绿色植物开展系统发育基因组学比较，以追溯参与睡莲花器官发育的基因家族的进化历史。在2,070个与花器官发育相关的基因家族中，有1,978个家族（95.6%）起源早于种子植物的出现。其中大量基因家族甚至可以追溯至绿色植物、陆地植物或维管植物的共同祖先（图5）。这一结果表明，花瓣作为被子植物的重要进化新性状，其形成主要依赖已有古老 “发育工具箱”的重新部署、组合和调控方式改变。植物在长期进化过程中可以通过改变古老基因的表达位置、表达强度及其相互作用关系，使原有的生殖器官发育程序逐渐与极性建立、光合作用和叶状器官形态建成等模块整合，最终形成新的器官身份和形态。

图5. 系统发育基因组学分析揭示睡莲花器官发育相关基因家族具有深远的进化保守性。

复旦大学生命科学学院刘畅为论文第一作者，复旦大学戚继研究员和江西农业大学国春策教授为论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目资助，并得到复旦大学湿地环境保护与生态修复全国重点实验室的支持。

论文链接：

10.1186/s13059-026-04229-1