银杏（Ginkgo biloba L.） 作为现存最古老的种子植物之一，具有独特的生物学特性，在种子植物演化史中扮演着重要角色。对银杏胚胎发育过程的深入研究有助于揭示种子植物的起源、演化及其适应性，具有重要的科研价值。传统的银杏胚胎发育研究多依赖于石蜡切片法，但由于银杏胚胎体积较大，这一方法难以捕捉到整个胚胎的完整结构，导致胚胎发育过程中诸多关键结构组成和发育动态一直未能得到清晰的展现和认识。
近日，北京林业大学生物科学与技术学院林金星和张曦团队与扬州大学园艺园林学院王莉团队合作在Plant Physiology上在线发表了题为3D reconstruction and multi-omics analysis reveal a unique pattern of embryogenesis in Ginkgo biloba的研究论文。该研究突破了传统技术的局限，采用先进的三维重建技术和多组学分析手段，首次全面揭示了银杏胚胎发育的精细结构和形态发生的动态变化。这一创新的研究方法不仅为银杏胚胎发育的深入研究提供了全新的视角，也为种子植物胚胎发育的进化生物学研究提供了新的科学证据。
该研究运用微型计算机断层扫描（micro-Computed Tomography）成像技术，结合改进的染色方法，获取了银杏胚胎发育三个阶段的2200余张虚拟切片，对银杏胚胎发育过程的完整结构进行大尺度原位三维重构。采用Imaris软件，构建了银杏胚胎发育过程中内部高分辨的茎尖分生组织（shoot apical meristem, SAM）、维管系统和分泌腔等三维结构（图1）。通过3D时空模式分析发现，与其他裸子植物不同，成熟银杏胚胎中存在高度分化叶原基的茎尖分生组织，表明银杏在其生命周期的早期阶段就具有了一定的复杂性，能够在种子萌发前形成基本的茎和叶结构，这可能与银杏对环境的适应性相关（图2）。此外，银杏胚的维管系统发育呈现出独特性，位于下胚轴和子叶中的管胞分布形成了两个独立的维管系统，这与被子植物中维管系统起源于合子的模式截然不同。独立的维管系统可能为银杏胚胎在营养物质和水分运输上提供了优势，有助于其在逆境条件下的生存和萌发（图1）。
图1 银杏种胚三维成像、重构和分析
图2 银杏种胚茎尖分生组织三维动态发育解析
分泌腔是植物体内的一种特殊结构，它们在植物的代谢过程中起到关键作用。银杏几乎所有的器官都有分泌腔的分布，是其独特生理特性的重要组成部分。本研究通过三维空间重建技术对银杏胚胎发育过程中分泌腔结构的动态变化进行分析，并根据分泌腔的精细形态特征将其分为三类，观察发现随着种胚中子叶的发育，分泌腔数量和体积显著增加（图3）。多组学分析进一步鉴定了参与分泌腔形成的重要基因，如GbWRKY1、GbbHLH12a和GbJAZ4等（图4）。尤其重要的是，研究发现成熟胚胎已经开始合成并积累黄酮类化合物等次生代谢物，这表明银杏能够通过合成大量次生代谢物来抵御逆境胁迫，确保种子即便在恶劣环境中也具备萌发和生长的能力。三维空间重建技术与多组学分析的结合，不仅为揭示银杏胚胎发育阶段的结构变化和分子机制研究开辟了新的途径，也为植物胚胎发育和进化研究奠定了基础。
图3 银杏种胚发育过程分泌腔精细结构动态变化规律
图4 银杏种胚维管系统和分泌腔动态发育调控分子机制
北京林业大学生物科学与技术学院张曦讲师、林金星教授和扬州大学园艺园林学院王莉教授为论文的通讯作者，已毕业博士生马灵玉（现就职于中国林科院木材工业研究所）和在读博士研究生胡子建为本文的共同第一作者。中国科学院植物研究所徐秀萍高级工程师、中国科学院生物物理研究所冯韵高级工程师和清华大学王文娟高级工程师和张彦丽老师对本研究提供了平台和技术支持。本研究得到了北京市自然基金、国家自然科学基金以及科技创新2030-重大项目等项目的资助与支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiae219
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