近日，新加坡南洋理工大学生物科学学院与多家单位在Nature Plants上发表了名为“Comparative transcriptomic analysis reveals conserved programmes underpinning organogenesis and reproduction in land plants”的研究论文，首次系统分析了多个代表性陆生植物的转录组，并首次利用比较转录组学技术对陆生植物器官发生与进化进行研究。

图1  文章发表信息

陆生植物的进化完全改变的了地球的外观，与藻类相比陆生植物具有复杂而特殊的器官发育，为其提供了强大的适应能力。最早的陆地植物可能并不具有这些适应能力，许多适应能力可能是在陆地上获得。根系的进化、生殖结构的改变、配体的变化这些出现创新的器官中特异表达的基因通常在它们的建立和功能中发挥重要作用。

材料：10个具有系统发生代表性的物种：苔藓植物小立碗藓和地钱、蕨类植物江南卷柏、裸子植物银杏和欧洲云杉、被子植物无油樟、 单子叶植物水稻和玉米、双子叶植物拟南芥和番茄。

测序方法：RNA-seq

技术路线：

图2  技术路线图

1. 构建基因表达图谱，鉴定器官特异性基因

我们构建并分析了10种陆地植物的基因表达谱，这些植物包括苔藓植物、蕨类植物、裸子植物、被子植物、单子叶植物和双子叶植物。通过比较分析表明，每个器官通常表达＞50%的保守基因，雄配子除外，其表达了大约38%的保守基因。相反，雄配子和根部显示出了最多的特异性表达基因。综上所述，器官特异性基因是转录本的重要组成部分，其中雄配子和根部特异性最强。

图3  陆生植物的表达图谱

2. 系统发育和基因表达分析表明，共同选择推动了器官的进化

陆生植物的进化涉及许多功能的创新，这些创新是由直系同源群基因的得失和现有基因功能的共同选择所介导的。进一步研究了直系同源群的表达模式作为其年龄的函数。研究发现了一个明显的趋势，即较老的直系同源群具有更普遍的(即较少的器官特异性)表达，而较年轻的则显示出越来越高的器官特异性表达比例。这表明，新获得的基因通常被招募来在植物器官、组织或细胞类型中执行特定的功能，而不是整合到基本的生物途径中。

图4  直系同源群器官特异性的基因组分析

为了进一步研究随着器官的进化，新功能是如何获得或丧失的，进一步分析了物种树每个节点中器官特异性和普遍存在的基因的富集/损失。他们观察到出现在相应器官之前很久的直系同源群的显着富集，这表明器官的建立在很大程度上依赖于现有遗传物质的共同选择。

图5  器官的进化分析

3. 配子转录程序的比较

为了进一步研究陆生植物有性生殖的转录程序是否保守，研究人员对不同性别器官的特有基因进行了分析。对于雄性特有基因进行了相似性和功能富集分析，结果表明雄配子发育在物种间保守，同时可能介导花粉萌发、花粉管生长和精子功能传递的过程，但是雄配子发育的早期阶段具有很多未知的基因富集，表明花粉发发育早期阶段过程还需要深入研究。此外，雌配子与雄配子相比聚类性较差，这表明其转录过程整体保守性较差，而且大多数功能未知。

图6  不同物种雄性发育的比较

4. 雄配子发育和功能的信号网络分析

因为雄性样本确定了不同的基因簇，所以研究人员进一步研究不同簇的基因是否共表达。为此，重建了10个物种的共表达网络，并进行共表达的分析。以拟南芥为例，分析了其所有雄性簇中预测的所有转录因子和激酶。通过鉴定发现了雄性特异的转录因子和激酶，他们可能参与花粉发育和功能的不同阶段。

图7  雄性簇的网络分析