苔蘚植物(包括苔類、蘚類和角苔類)是植物陸地化過程中最早適應(yīng)陸地環(huán)境的植物類群之一。地錢作為典型的苔類代表，是探究植物有性生殖起源與演化的理想模型。盡管其生殖結(jié)構(gòu)相對簡單，卻完整承載了精子發(fā)生、受精和孢子體發(fā)育等核心生殖過程。然而，由于其細(xì)胞類型復(fù)雜且缺乏高分辨率表達(dá)譜數(shù)據(jù)，其核心生殖過程中細(xì)胞分化及功能調(diào)控的分子機(jī)制仍不清晰。

近日，Journal of Genetics and Genomics在線發(fā)表武漢華大生命科學(xué)研究院/深圳市中國科學(xué)院仙湖植物園劉陽團(tuán)隊題“Transcriptomic landscape of Marchantia polymorpha sexual organs at single-nucleus resolution”的研究論文。該研究利用單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，構(gòu)建了地錢有性生殖器官的高分辨率細(xì)胞圖譜，系統(tǒng)揭示了其精子發(fā)生、孢子體形成及孢粉素合成等關(guān)鍵過程的細(xì)胞特征與分子調(diào)控基礎(chǔ)。

該研究利用DNBelab C4平臺成功構(gòu)建了地錢有性生殖結(jié)構(gòu)在單細(xì)胞分辨率下的轉(zhuǎn)錄組圖譜，解析了雄托、雌托及孢子體的細(xì)胞組成。研究揭示了從早期精原細(xì)胞到成熟精子的連續(xù)發(fā)育軌跡，并識別出與細(xì)胞周期、染色質(zhì)重塑和鈣信號傳導(dǎo)相關(guān)的關(guān)鍵基因模塊。通過共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，進(jìn)一步闡明了孢子體中基足細(xì)胞、孢子囊壁細(xì)胞和彈絲等細(xì)胞類型在孢粉素合成、細(xì)胞壁構(gòu)建及孢子保護(hù)等過程中的功能分化。跨物種比較結(jié)果顯示，地錢的孢子囊壁細(xì)胞在功能上與被子植物花藥絨氈層細(xì)胞相似，而基足細(xì)胞則作為連接配子體與孢子體的關(guān)鍵樞紐，承擔(dān)物質(zhì)運(yùn)輸與發(fā)育調(diào)控的重要角色。該研究為深入理解早期陸生植物有性生殖的細(xì)胞基礎(chǔ)與演化機(jī)制提供了重要參考。

地錢有性生殖結(jié)構(gòu)的單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組圖譜

A: 地錢有性生殖結(jié)構(gòu)的單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組圖譜構(gòu)建流程圖;B: 雄性樣本18個細(xì)胞簇的UMAP可視化;C: 雌性樣本26個細(xì)胞簇的UMAP可視化。

作者簡介

中國科學(xué)院大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院與武漢華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生曾瑜盈為該論文第一作者。武漢華大生命科學(xué)研究院、深圳市中國科學(xué)院仙湖植物園劉陽研究員，武漢華大生命科學(xué)研究院魏桐研究員為該論文共同通訊作者。相關(guān)工作得到萬種植物基因組計劃和深圳市城市管理和綜合執(zhí)法局科研專項等項目的資助與支持。