Cell lineages of soybean anther morphogenesis reveal developmental trajectory of microsporocytes at single-cell resolution

生物 雄蕊 生殖系 形态发生 拟南芥 小孢子 细胞生物学 有丝分裂 转录组 减数分裂 基因 遗传学 基因调控网络 重编程 基因表达调控 拟南芥 细胞分裂 突变体 基因表达 细胞分化 锌指 基因沉默 表型 细胞命运测定 植物 转录调控 胞质分裂 发育生物学 细胞 斑马鱼 同源染色体
作者
Shiqian Yang,Ke Li,Zhiyu Chen,Siran Pan,Rong Ye,Yan Yang,Yushan Huang,Chenjiang You,Jing Guo,Ji Qi,Yingxiang Wang,Cong Wang
出处
期刊:The Plant Cell [Oxford University Press]
标识
DOI:10.1093/plcell/koag347
摘要

In flowering plants, anther morphogenesis and microspore mother cell (MMC) specification of the male reproductive organ are critical for fertility and seed-setting or yield, but their underlying mechanisms in soybean (Glycine max) remain largely uncharacterized. Here, we cytologically established a staged developmental framework of early soybean anthers that were collected to generate a high-resolution single-nucleus RNA-seq atlas. We further characterized 11 major cell types annotated by cluster-specific marker genes and validated by RNA in situ hybridization. Pseudotime trajectory analysis reconstructed the differentiation process of microsporocytes, tapetum, and middle layer from archesporial cells, and established a regulatory network governing germline development. Parallel comparison of mitotic dividing cells (DCs) and meiotic MMCs revealed divergent transcriptional and cell-cycle programs. DCs follow a linear mitotic cascade with smooth, continuous transcriptional regulation, whereas MMCs undergo lineage-specific transcriptional reprogramming with an oscillatory activation of cell-cycle regulators to orchestrate meiotic transitions and progression. By comparing the transcriptional regulatory network of DCs and MMCs, we identified a pair of C2H2 zinc finger factors GmKNUa/b, the homologs of Arabidopsis KNUCKLES, as a key switch for MMC differentiation in soybean. The CRISPR-Cas9-edited Gmknua/b double mutants lack meiocytes, and GmKNUa/b might trigger the mitosis-to-meiosis transition by repressing the persistent mitotic cell cycle. Taken together, these results reveal the cellular signatures and molecular basis of early soybean anther morphogenesis and germline specialization, and provide candidate targets for manipulating germline fate and male fertility in soybean.
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