文献阅读-20230705-维管植物中根毛发育基因的变化

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1. 背景

文章标题：Diversification of Root Hair Development Genes in Vascular Plants
发表时间：20170509
发表期刊：Plant Physiology
一作及通讯：Ling Huang(上海交大本硕微生物，之后去联合利华研发洁面乳一年，然后去密歇根大学读博士，中途去孟山都公司做了rnaseq的pipeline，然后去Salk干了5年，现在在Neomorph公司，感谢Linkedin平台🙏), John Schiefelbein(现于密歇根大学，实验室网站https://sites.lsa.umich.edu/schiefelbein-lab/)
原文链接：https://doi.org/10.1104/pp.17.00374

2. 摘要

The molecular genetic program for root hair development has been studied intensively in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). To understand the extent to which this program might operate in other plants, we conducted a large-scale comparative analysis of root hair development genes from diverse vascular plants, including eudicots, monocots, and a lycophyte. Combining phylogenetics and transcriptomics, we discovered conservation of a core set of root hair genes across all vascular plants, which may derive from an ancient program for unidirectional cell growth coopted for root hair development during vascular plant evolution. Interestingly, we also discovered preferential diversification in the structure and expression of root hair development genes, relative to other root hair- and root-expressed genes, among these species. These differences enabled the definition of sets of genes and gene functions that were acquired or lost in specific lineages during vascular plant evolution. In particular, we found substantial divergence in the structure and expression of genes used for root hair patterning, suggesting that the Arabidopsis transcriptional regulatory mechanism is not shared by other species. To our knowledge, this study provides the first comprehensive view of gene expression in a single plant cell type across multiple species.

拟南芥的根毛发育的分子遗传程序已经被深入地研究。为了了解这个程序在其他植物中的适用范围，我们对来自不同维管植物的根毛发育基因进行了大规模的比较分析，包括双子叶植物、单子叶植物和一种石松类植物。通过结合系统发育和转录组学，我们发现了一组在所有维管植物中保守的根毛基因，它们可能来源于一个古老的单向细胞生长程序，在维管植物进化过程中被用于根毛发育。有趣的是，我们还发现了这些物种之间根毛发育基因在结构和表达上的优先多样化，相对于其他根毛和根表达的基因。这些差异使我们能够定义在维管植物进化过程中特定谱系获得或丢失的基因和基因功能的集合。特别是，我们发现了用于根毛图案形成的基因在结构和表达上的显著分化，表明拟南芥芥的转录调控机制并不是其他物种所共有的。据我们所知，这项研究提供了第一个跨多个物种的单一植物细胞类型基因表达的全面视图。

3. Figure

  1. fig.1 拟南芥和水稻中根毛细胞特异性的GFP marker的表达
  • A，拟南芥根的伸长区和分化区中AtCOBL9::GFP的表达。
  • B，水稻根的伸长区和分化区中OsEXPA30::GFP的表达

  1. fig.2 对AtRH和AtRHM基因集的分析
  • A图，展示了AtRH和AtRHM基因的由来。注释：通过荧光激活细胞分选(FACS)，使用AtCOBL9::GFP(在根毛细胞起始到成熟过程中特异性表达)筛出了12691个在根毛中表达的基因，定义为AtRH基因。从其中找出了563个在rhd6(启动根毛的生长)突变体中相对于野生型显著下调的基因，定义为AtRHM基因 (Arabidopsis thaliana root hair morphogenesis genes)。AtRH(-RHM)基因表示为AtRH减去AtRHM，为12128个基因。
  • B图，展示了AtRH和AtRHM基因的，用AtED（wild-type root elongation zone + differentiation zone）除以AtCOBL9::GFP的fold change分布密度图。
  • C图，AtRH和AtRHM基因，在以成熟区、伸长区、分生区表达量计算得到的9种表达趋势，的分布情况。
  • D图，对12449个AtRH基因（应该是全部12691个AtRH基因中在GreenPhyl中有注释到family的基因数量）进行1000次随机取样，每次取543个（563个AtRHM基因中在GreenPhyl中有注释到family的基因数量）时，这543个基因所分布的基因家族数量。可以看到基本上都分布到500个左右的基因家族中，但543个AtRHM只分布在了397个家族中，很特殊。

  1. fig.3 拟南芥和水稻在相同基因家族中supergene表达情况的比较
  • supergene表达量为每个家族中该物种所有基因的表达量总和
  • 在AtCOBL9::GFP和OsEXPA30::GFP谱系中通过FACS纯化出的细胞
  • 表明了在同一家族中At和Os的有相似的根毛表达pattern，强烈正相关。

  1. fig.4 不同维管植物的根毛图片
  • 包括at拟南芥，cs黄瓜，gm大豆，os水稻，sl番茄，zm玉米

  1. fig.5 拟南芥的AtRHM基因在其他7个物种（多了个Pp小立碗藓）中的保守性
  • 对于543个AtRHM分布在的397个家族，根据该物种在该家族中是否具有基因，及其基因与AtRHM基因的根表达谱的匹配程度为每个物种分配了相似性评，红色相似度最低，蓝色相似度最高。
  • 聚类后，将397个家族分为了维管植物保守、被子植物保守、双子叶植物保守、拟南芥特异、及其他共5组。

  1. fig.6 AtRHM基因家族的代表性发育树。
  • 正文放了4个树，分别为A, COBL9. B, EXPA7. C, RHS8. D, RHD6。
  • 与突变表型相关的拟南芥AtRHM基因标注为灰色阴影
  • 三角形表示AtRHM基因(紫色带白点)、AtRH基因(实心紫色)和OsRH基因(粉红色)

  1. fig.7 分离的根毛的基因表达
  • 之前是通过FACS获得根毛细胞，现在是取样阶段就只取了根毛，然后比较了两种取样方法。
  • 定义在分离的根毛中表达的基因为AtHAIR基因，共14919个。包括12,691个 AtRH 基因中的11,041个(87%)和563个 AtRHM 基因中的501个(89%)。可能是这种方法不能捕获到根毛起始阶段表达的基因。
  • A图，比较了两种方法下基因的表达量，基因又多了一个分组，At(-RHM)，就是去除掉AtRHM外的所有At基因，总体上呈正相关。
  • B图，使用同样分离根然后测序的方法，获得了Os，Sl，Gm，Cs，Zm的XxHAIR基因。条形图分为：黑色，保守家族；阴影，非保守家族；白色，物种特异性家族。正文提到,黑色包括3511个基因家族，其中3026个（86%）也具有江南卷柏Sm的基因，3026的2882（95%）也具有小立碗藓Pp的基因。阴影包括4177个基因家族，在2-5个物种中共享，比如单子叶植物水稻和玉米就有只有它们共享的基因家族。
  • C图，白柱子是根毛表达基因的基因家族数量。比如six对应的3511就是B图里的黑色部分。黑柱子是根表达基因的基因家族数量。

  1. fig.8 拟南芥根毛patterning基因的代表进化树
  • 分别为A, CPC/TRY/ETC1. B, GL2. C, GL3/EGL3/MYC1
  • 拟南芥共12个根毛patterning基因，分布于7个家族中。
  • 拟南芥根毛patterning基因是灰色阴影

  1. fig.9 根毛基因家族的进化历史总结
  • 蓝色是起码有一个基因在根毛中表达的基因家族
  • 红色是404个拟南芥根毛核心基因家族（AtRHM分布的397个基因家族+7个patterning基因家族）
  • 正负号就是在对应谱系中的gain和loss了

4. 后记

  • 用了很多与15年那篇PC相似的统计/计算方法。
  • 用一堆特殊的计算方法去得到较高的相似性，就像我之前分析郭芾数据的时候干的那种事情，不过复杂了许多。
  • 根毛发育的三个基本阶段: specification of the root hair cell fate, initiation of a root hair outgrowth, and elongation of the hair via tip growth.
  • 一篇中文解析：https://mp.weixin.qq.com/s/N88LlrwZKv_sBi6TH37JYQ 我自己过了一遍之后，看了这篇解析，然后补充了一些我漏了的地方。（20230630发表，难得有人还解读老文章啊，还写的这么详细，尤其是背景和讨论，几乎是全文翻译了一遍吧，而我读这篇的重点是每个figure是怎么做出来的😂。这估计就是PI（指挥大方向）和我（技术员、工人、蓝领）的区别罢！）