西北工业大学研究团队联合华大生命科学研究院，利用华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq首次绘制了洋葱鳞茎组织不同发育阶段的时空图谱，揭示了葱属植物重要性状形成和演化的分子机制。该研究为进一步了解葱属植物提供了重要资源，并提供了对这些重要农作物的生物学和育种的新见解。该研究在2023年11月06日发表于Nature Genetics，以下是该文章的详细解读。
早在公元前3000年的埃及墓葬中，就发现了人类将洋葱作为食物。如今，洋葱是全球产量最多的蔬菜之一，每年生产干洋葱1亿吨，仅次于西红柿。葱属植物典型的生物学特点包括其特殊的辛辣气味和膨大的球茎。大多数葱属植物的标志性辛辣风味主要归因于含硫化合物。膨大的球茎主要是为植物休眠渡过严苛的气候而储存水分和营养。然而，由于长期缺乏高质量的参考基因组，这些葱属植物的基因组如何进化以及如何形成不同风味，仍然是植物生物学中尚未解决的基本问题。
利用Stereo-seq技术，分析了洋葱鳞茎组织的早、中、晚3个发育阶段；
利用基因组测序等技术，分析了洋葱、大葱、大蒜3种最为常见的葱属植物，以及近亲品种百子莲的基因组。
该研究展示了3个葱属物种（洋葱、大蒜、大葱）及其近亲（百子莲）的高质量染色体级别的基因组组装（图1）。研究人员利用高保真（high fidelity，HiFi）模式下的PacBio测序和高通量染色质构象捕获（high-throughput chromosome conformation capture，Hi-C）生成数据。最终获得的基因组组装表现出较高的重叠群N50值，4个物种的基因组大小与之前研究中报道的流式细胞术评估结果相当。该研究还采用了各种评估方法证明了获得的基因组组装数据的高质量，确保了该基因组数据的可靠性和准确性。
图1. 葱属物种及其近亲百子莲的基因组进化
通过对上述获得的4个物种的染色体级别的基因组组装进行全面分析，研究人员确定了葱属谱系特有的多倍化事件的证据（图2）。这些事件的特点是全基因组复制（whole-genome duplications，WGD），导致物种的基因组加倍。该研究还通过分析重复基因对的同义替换率，发现WGD事件发生在不同的时间点，可能跨越数百万年。这些发现加深了对葱属进化历史的理解，并为这些具有重要营养价值的农作物的进一步研究和育种工作奠定了基础。
图2. 比较基因组分析
为解析洋葱球茎膨大机制，研究人员利用Stereo-seq技术，分析了洋葱鳞茎组织的早、中、晚3个发育阶段，绘制了参与球茎膨大基因通路的时空全景图（图3）。
图3. Stereo-seq揭示洋葱球茎形成基因表达的空间分布
研究人员通过对空间表达矩阵进行无监督聚类，并根据细胞形态、空间位置和细胞标记基因的原位杂交对不同细胞簇进行分类，共鉴定了六种细胞类型，包括海绵细胞、栅栏细胞、基底薄壁细胞、表皮细胞、叶维管细胞和木质部细胞（图3a-c），并发现对球茎膨大起到主要贡献的是海绵细胞。
研究人员进一步对海绵细胞谱系进行了可视化（图3g），构建了谱系分化轨迹以了解这些细胞的发育进程。通过拟时间分析，研究人员观察到海绵状叶肉细胞呈现出从内层到外层、从基部到顶部的连续细胞轨迹。
此外，研究人员还利用空间表达矩阵分析了与洋葱球茎形成相关的基因空间表达模式（图4），发现与洋葱球茎形成相关的基因，如CHI、F3H、F3'H、FLS和LTP基因家族，在表皮细胞中表现出共表达，并发现它们积极参与类黄酮和角质蜡的生物合成。
图4. 葱属植物鳞茎形成相关基因的进化与表达模式的差异
总之，研究人员通过分析洋葱鳞茎组织不同发育阶段的空间表达模式和发育轨迹，为洋葱鳞茎形成过程的时间进程和分子机制提供了有价值的见解。
该研究为葱属植物类群的研究提供了高质量的基因组数据，并利用Stereo-seq等技术，鉴定了洋葱鳞茎组织的不同细胞类型，进一步揭示了海绵细胞的发育以及参与洋葱球茎形成的遗传因素，为了解植物发育提供了新的见解，为推动分子育种应用提供了重要指导。
