文献阅读-20230513-水蕨根尖分生组织的细胞水平发育过程，水蕨幼龄孢子体的转录组分析揭示了根尖分生组织干细胞因子的保守性

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1. 背景

文章标题：1. Development and Cell Cycle Activity of the Root Apical Meristem in the Fern Ceratopteris richardii; 2. Transcriptional analysis of Ceratopteris richardii young sporophyte reveals conservation of stem cell factors in the root apical meristem
发表时间：20201204; 20220811
发表期刊：Genes; Frontiers in Plant Science
一作及通讯：Alejandro Aragón-Raygoza(现在在NCSU的Josh Strable手下当博后); Alfredo Cruz-Ramírez(课题组主页，http://www.cruzomics.net/, 墨西哥国家生物多样性基因组实验室，研究干细胞和再生的，基于墨西哥蝾螈和植物进化过程)
原文链接：https://doi.org/10.3390/genes11121455 和 https://doi.org/10.3389/fpls.2022.924660 补充：https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2019.08.017 （水蕨的完整发育框架）

2. 摘要

  • 第一篇

Ferns are a representative clade in plant evolution although underestimated in the genomic era. Ceratopteris richardii is an emergent model for developmental processes in ferns, yet a complete scheme of the different growth stages is necessary. Here, we present a developmental analysis, at the tissue and cellular levels, of the first shoot-borne root of Ceratopteris. We followed early stages and emergence of the root meristem in sporelings. While assessing root growth, the first shoot-borne root ceases its elongation between the emergence of the fifth and sixth roots, suggesting Ceratopteris roots follow a determinate developmental program. We report cell division frequencies in the stem cell niche after detecting labeled nuclei in the root apical cell (RAC) and derivatives after 8 h of exposure. These results demonstrate the RAC has a continuous mitotic activity during root development. Detection of cell cycle activity in the RAC at early times suggests this cell acts as a non-quiescent organizing center. Overall, our results provide a framework to study root function and development in ferns and to better understand the evolutionary history of this organ.

蕨类植物是植物进化中的一个代表性类群，虽然在基因组时代被低估。 水蕨（Ceratopteris richardii）是蕨类植物发育过程中的新兴模型，有必要拥有一个完整的不同生长阶段表达图谱。在这里，我们提供了第一根Ceratopteris不定根（茎部长出的根）的组织和细胞水平的发育分析。我们跟踪了孢子体中根分生组织的早期阶段和起始。在评估根的生长时，第一根不定根在第五和第六个根出现之间停止了其伸长，这表明水蕨根遵循确定性发育程序。在检测到标记核后，我们报告了干细胞微环境中的细胞分裂频率，并在8小时暴露后检测了其衍生物。这些结果表明，在根的发育过程中，RAC具有持续的有丝分裂活性。在早期时期检测到RAC中的细胞周期活动表明，该细胞充当非静止组织中心。总体而言，我们的结果为研究蕨类植物中根的功能和发育提供了框架，并更好地理解了该器官的进化历史。

  • 第二篇

Gene expression in roots has been assessed in different plant species in studies ranging from complete organs to specific cell layers, and more recently at the single cell level. While certain genes or functional categories are expressed in the root of all or most plant species, lineage-specific genes have also been discovered. An increasing amount of transcriptomic data is available for angiosperms, while a limited amount of data is available for ferns, and few studies have focused on fern roots. Here, we present a de novo transcriptome assembly from three different parts of the Ceratopteris richardii young sporophyte. Differential gene expression analysis of the root tip transcriptional program showed an enrichment of functional categories related to histogenesis and cell division, indicating an active apical meristem. Analysis of a diverse set of orthologous genes revealed conserved expression in the root meristem, suggesting a preserved role for different developmental roles in this tissue, including stem cell maintenance. The reconstruction of evolutionary trajectories for ground tissue specification genes suggests a high degree of conservation in vascular plants, but not for genes involved in root cap development, showing that certain genes are absent in Ceratopteris or have intricate evolutionary paths difficult to track. Overall, our results suggest different processes of conservation and divergence of genes involved in root development.

基因在根中的表达已经在不同的植物物种中进行了评估，研究范围从完整的器官到特定的细胞层，最近在单细胞水平上进行了评估。虽然某些基因或功能类别在所有或大多数植物物种的根中都有表达，但也发现了特定于谱系的基因。对于被子植物，有越来越多的转录组数据可用，而蕨类植物的数据量有限，很少有研究集中在蕨类植物的根上。在这里，我们提供了来自水蕨幼龄孢子体的三个不同部分的从头转录组组装。根尖转录程序的差异基因表达分析显示了与组织发生和细胞分裂相关的功能类别的富集，表明存在活跃的顶端分生组织。对一组不同直系同源基因的分析揭示了根分生组织中保守表达，表明不同发育角色在该组织中具有相同的作用，包括干细胞维持。对于地上部分特异性表达基因的进化轨迹重建表明，在维管植物中存在高度保守性，但对于涉及根冠发育的基因，则显示出水蕨中缺少某些基因或具有难以调查的复杂进化路径。总体而言，我们的结果表明在参与根发育的基因中，存在的不同的保守和分化过程。

3. Figure

3.1 第一篇

  1. 主要维管植物谱系的进化和根尖分生组织的组成

  1. 水蕨中关于孢子体向配子体转变，和胚胎发育的，CLSM(激光扫描共聚焦显微镜)图像
  2. 水蕨从孢子长成幼龄孢子体的图解总结，聚焦于第一条不定根的起始和发育。

  1. 水蕨第一条不定根的组织学分析。
  2. 水蕨根在细胞和器官水平的动态变化。（即不同时期水蕨的根长）
  3. 水蕨第一条不定根的细胞动态。(EdU标记处于细胞周期S期的细胞，检测植物细胞DNA复制活性)
  4. 水蕨第一条不定根在细胞组成和分化动态的图示摘要。

3.2 第二篇

  1. 水蕨幼龄孢子体各组织的差异基因表达分析。A，使用不同的busco数据库比较了3种蕨类植物和江南卷柏的基因含量。B，样品的PCA图。C，样品间的相关性热图。D，三个部分表达基因的upset图。
  2. 对figure1 D图中三个组织特异性表达的基因做了一个GO富集分析。Root tip富集到了细胞分裂、根形态建成，生长素运输、原形成层发育。以及富集到了DNA结合，转录因子活性，DNA复制，代表了根尖具有有丝分裂活跃的分生组织区域。
  3. 三个组织的转录因子家族表达分析,绿色上调，紫色下调，圆圈大小代表基因的数量。（比较新颖的一种展示方式）

  1. 与干细胞维持相关基因的保守性。A展示了水蕨中拟南芥WOX9，WOX13，WUS同源基因在三个组织中的表达情况。B是物种树及各物种间WOX基因家族的拷贝数量。（比较新颖的一种展示方式）
  2. 与基本组织特异性相关基因的保守性。A展示了水蕨和拟南芥cortex和endodermis的发育过程。C和D展示了RBR，SCL，SCR，SHR等相关基因的在三个组织的表达情况和物种树里的copy数。
  3. 与根冠相关基因的保守性。A展示了拟南芥和水蕨的根管发育过程。C和D是ACR4，SMB和FEZ等相关基因的表达情况和copy数。
  4. 两个不同的水蕨孢子体转录组的比较分析。
  • 补充材料：转录组完整性的busco评估，GO富集分析结果的BP，MF，CC分别展示，一大堆进化树，与其他公共数据集比较时的富集分析。

4. 后记

4.1 paper1

  • 第一篇文章通过精细的显微镜观察，对水蕨的第一条不定根的的组织和细胞水平的发育过程进行了详细描述。

4.2 paper2

  • 第二篇文章对水蕨的shoot（stem+leave），root tip，root w/ow/o tip三个部分做了RNA-Seq，组装了转录组。

  • 使用的工具有，质控FastQC+Trimmomatic，组装Trinity+Bowtie2+BUSCO+CD-HIT/Compacta，注释Transdecoder+BLAST+SignalP/tmhmm/RNAmmer/tRNAscan-SE+Trinotate，差异基因表达分析kallisto+tximport+edgeR+limma，富集分析trinotateR+topGO（一个没用过的R包），绘图ggplot2+colorspace(一个很多颜色组合的R包)，与其他数据集比较时limma_removeBatchEffect+绘图ggplot2+pheatmap+UpSetR+viridis，基因树构建OrthoFinder+mafft+Jalview+IQ-tree

  • 第二篇文章中对组装的转录组，使用了Compacta或CD-Hit来对转录组去冗余，可以显著提高busco分析中的single-copy的占比。

  • 第二篇文章中构建进化树的时候，对多序列比对的结果，在Jalview这个软件中进行了手动修剪。

  • 第二篇文章还和喻杰2020年发表的水蕨转录组（包括叶尖、叶片、芽尖、根尖、根成熟区）进行了对比。

  • 第二篇文章在说上调下调的时候，不知道是基于什么比较的？我是没在原文里找到。可能是我转录组组装这块不太熟悉，不太懂这个？

  • 第二篇文章基于以前的结论，假设了石松植物和真叶植物在根系进化过程中他通过独立选择一组相似的基因而达到了相同的结果。

  • 在github上发现一个rnaseq的教程：https://github.com/griffithlab/rnaseq_tutorial/wiki/Trinotate-Functional-Annotation

  • https://fernbase.org/ 这个数据库，保存了一些蕨类和石松类植物的基因组信息