研究热点，植物单细胞转录组测序！中德科学家绘制单子叶植物水稻首个根组织单细胞分辨率转录组图谱

BioArt植物 · 公众号 · · 2020-12-21 20:47

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责编 | 奕梵

单细胞测序技术是近几年发展起来的热点技术。自2009年汤富酬等人在 Nature Methods 首次报道单细胞转录组测序技术以来，单细胞测序技术发展迅速。2011年，Nicholas等人开发了单细胞基因组测序技术发了单细胞基因组测序技术；2013年，汤富酬教授课题组开发出了单细胞全基因组DNA甲基化检测技术（scRRBS）。之后，研究人员进一步开创了单细胞Hi-C、单细胞ChIP-seq、单细胞ATAC-seq技术等。2013年， Nature Methods 发表了社论文章，单细胞测序技术成为当年度最受关注的技术。2019年， Nature Methods 再发社论，将单细胞多组学分析选为“Method of the Year 2019”。

单细胞测序技术的快速发展丰富了我们对于细胞异质性和细胞功能的理解，同时也使我们可以从多维度观测单一细胞，比如：基因水平、转录水平、表观水平、甚至空间水平，这一技术也使我们以前所未有的角度观测一个细胞，从整体了解单一细胞内不同分子事件是如何发生、以及如何与其它事件相互联系的。

单细胞转录组测序技术 (scRNA-seq) 可用来揭示不同细胞之间的转录异质性，尤其是对于整体上研究某个器官或者某群细胞单细胞转录组测序能在单个细胞分辨率下研究转录组表达情况，完美解决细胞异质性问题。但由于细胞壁等因素的限制，植物领域的单细胞转录组研究相对落后于生物医学领域。

直到2019年2月， Plant Physiology 发表了第一篇植物单细胞转录组测序的文章，该工作由美国密歇根大学John Schiefelbein实验室完成，题为 Single-Cell RNA Sequencing Resolves Molecular Relationships Among Individual Plant Cells 。随后，2019年3月， Developmental Cell 发表了德国研究人员题为 Spatiotemporal Developmental Trajectories in the Arabidopsis Root Revealed Using High-Throughput Single-Cell RNA Sequencing 的文章。该研究通过高通量单细胞RNA测序，在拟南芥根中报道了一些新的细胞类型特异表达基因和细胞状态特异的转录因子。同月， The Plant Cell 发表了美国华盛顿大学研究团队题为 Dynamics of Gene Expression in Single Root Cells of A. Thaliana 的论文，该研究利用单细胞RNA测序，从单细胞水平上解析了热激响应基因的转录调控网络。一个月后，2019年4月， Molecular Plant 在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究组题为 A single-cell RNA sequencing profiles the developmental landscape of Arabidopsis root 的研究论文。该研究在单细胞水平上揭示了拟南芥根尖细胞的异质性，描绘了拟南芥发育全景图并重构了根尖分生组织细胞的发育轨迹。短短两个月内，连续有4篇植物单细胞转录组测序方面的文章发表，足见这项技术在植物研究中的巨大潜力。

2020年，我国科学家在植物单细胞转录组测序方面的研究持续发力。2020年3月，武汉大学生命科学学院孙蒙祥团队在 Nature Communications 发表了题为 Cell lineage-specific transcriptome analysis for interpreting cell fate specification of proembryos 的论文，利用单细胞测序技术构建了首个拟南芥顶、基细胞系特异转录组数据库。2020年6月24日，河南大学孙旭武教授课题组在 Molecular Plant 在线发表了题为 Global Dynamic Molecular Profiles of Stomatal Lineage Cell Development by Single-Cell RNA Sequencing 的文章。该研究首次运用单细胞RNA-seq技术解析了拟南芥气孔系细胞发育进程中的转录组动态模式。

2020年12月20日，中国农业科学院生物技术研究所 谷晓峰 课题组和德国海德堡大学 Jan U. Lohmann 课题组合作在 Molecular Plant 上发表了题为 Transcriptional Landscape of Rice Roots at the Single-Cell Resolution 的研究论文，绘制了单子叶模式植物水稻首个根组织单细胞分辨率转录组图谱，为水稻功能基因组研究提供了理论基础和基因资源。

在植物整个生命过程中，根尖在不断地分化发育，形成的根系从土壤中吸收水分和矿质元素，参与植物与生物或非生物信号的互作，并起到固定植株的作用。但是，植物根系的发育及与环境互作的分子机制还知之甚少。研究人员对两个水稻栽培亚种粳稻Nip和籼稻93-11的10,968和12,564个根尖细胞进行了单细胞转录组测序和分析，鉴定出8个细胞型。对Nip和93-11每种细胞型差异表达基因进行功能富集分析，发现大多数基因与环境响应有关，不同水稻亚种在受到外部环境刺激时响应机制存在差异。

研究人员随后对水稻单细胞数据进行拟时分析，绘制了根最外层细胞的发育轨迹，来自两个栽培品种的单细胞轨迹显示高度一致的拟时顺序，表明不同亚种之间发育轨迹的保守性。进一步结合已发表的双子叶模式植物拟南芥根尖单细胞转录组数据集进行了对比分析，这是首次在单细胞水平进行植物组织器官进化分析，发现拟南芥和水稻大部分细胞类型转录组之间差异较大，只有根毛细胞相关性较高，说明了研究单子叶植物单细胞转录组的重要性。同时，研究人员基于转录组大数据建立了单细胞的数据库网站RCAR

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