Пространственно-временной атлас транскриптома раскрывает динамические клеточные и молекулярные особенности развития мегаспорангия (зародышевого мешка) у голосеменных

Мегаспорангий (зародышевый мешок), как предшественник семени, представляет собой ключевую эволюционную инновацию у семенных растений. Однако его происхождение и эволюционная траектория обсуждаются более века, главным образом из-за несоответствий между морфологической информацией из ископаемых и регуляторными механизмами развития мегаспорангия, выводимыми из современных покрытосеменных. Общие регуляторные сети, присущие голосеменным и покрытосеменным, могут служить мостом для понимания процесса развития мегаспорангия. Мы применили пространственное секвенирование транскриптома для профилирования динамики экспрессии генов в процессе формирования мегаспорангия у четырёх репрезентативных видов голосеменных (Ginkgo biloba, Gnetum montanum, Pinus tabuliformis и Cycas panzhihuaensis). Наши анализы выявляют различные траектории дифференцировки типов клеток при образовании тканей и обнаруживают ключевые гены и пути, вовлечённые в инициацию зачатка мегаспорангия, формирование халацы и последующее развитие покровов (интегумента) и нуцеллуса. Пространственно-временные модели экспрессии ключевых регуляторных генов, особенно связанных с установлением проксимально-дистальной (PD) полярности, убедительно поддерживают гипотезу о том, что раннеобразующиеся области халацы функционируют как меристематическая зона, давая начало интегументу и нуцеллусу в манере, напоминающей активность апикальной меристемы побега. Кроме того, паттерны экспрессии генов в развивающемся интегументе демонстрируют чётко выраженную PD- и адаксиально-абаксиальную полярность, высоко консервативную в линиях голосеменных. Эти результаты указывают на то, что развитие интегумента возникло посредством рекрутирования предсуществующих регуляторных сетей в основной модуль развития, что даёт подсказки к молекулярным механизмам формирования интегумента, лежащим в основе происхождения мегаспорангия у семенных растений.