Advanced Science|河北农业大学团队率先在植物中实现同一细胞多组学测序

植物科学最前沿 · 公众号 · · 2024-04-19 22:05

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近日，我室作物种质资源鉴评筛选创新团队在国际知名期刊Advanced Science（中科院一区，IF：15.1）在线发表了题为“ Multiome in the Same Cell Reveals the Impact of Osmotic Stress on Arabidopsis Root Tip Development at Single-Cell Level ”的研究论文。该研究率先在植物中实现同一个单细胞中同时进行RNA-seq和ATAC-seq测序，该研究同时检测了16670个拟南芥细胞核的基因表达和染色质可及性，重建了拟南芥根尖细胞类型特异性转录调控网络，揭示了单细胞多组方法在解析渗透胁迫响应机制中的作用。

单细胞水平的研究一直是近年来研究的热点，如单细胞RNA-seq，单细胞ATAC-seq等；多组学联用也是目前的研究趋势，即利用生信算法合并scRNA-seq和scATAC-seq数据集，这两种组学的联合分析可以在单细胞水平上建立基因表达和调控元件可及性之间的关系，促进潜在的转录调控机制的发现。然而传统的单细胞多组学技术不能同时捕获同一细胞内不同分子信息层之间的关系和动态，因此，获得同一细胞内的染色质可及性和基因表达水平可以直接将转录调控数据与其RNA产物直接关联起来，从而可以更准确和全面地描述单细胞类型和发育状态。虽然这项技术已应用于人类和动物研究，但在植物领域的应用仍面临许多技术难题。

细胞特异性转录调控网络（transcriptional regulatory networks，TRNs）在植物发育和响应环境胁迫中起着重要作用。因此，在单细胞水平获得全面的转录谱和全基因组染色质可及性对于阐明调节细胞如何分化、组织和器官如何发育以及植物对生物和非生物环境胁迫如何反应的转录调控网络（TRNs）至关重要。

该研究首先建立了高效、优质的植物细胞核提取方法，之后对正常培养和渗透胁迫下的拟南芥根尖进行细胞核的提取，并在10X Genomics平台上进行单细胞（RNA+ATAC）测序。这些真正意义上的单细胞多组学数据集可以更准确地重建细胞状态转变过程中基因表达和染色质状态的协调变化。基于这些数据，该研究发现在根尖发育过程中，全能性较高的初始细胞的染色质可及性开放早于基因表达这一有趣的现象，解释了染色质和基因表达的不同步性，及在某些细胞类型中的低关联，这表明细胞分化过程中部分基因的染色质可及性预先改变，并为细胞随后的分化步骤所需启动的基因表达程序做好准备。

通过分析根尖各类型细胞渗透胁迫响应差异发现，根毛对渗透胁迫较为敏感，通过重建根毛细胞分化轨迹和细胞类型特异性基因调控网络，发现渗透胁迫可以改变根毛细胞的功能分化。

此外，该研究还挖掘了胁迫响应相关的潜在顺式调节元件（gl-cCREs）和潜在增强子，并发现它们具有较大的细胞异质性。与已发表的十字花科保守非编码区联合分析发现相比于顺式调控元件，这些潜在增强子具有更高的保守性，推测这些保守增强子在十字花科其他物种的胁迫响应中起着相似作用。

这些发现有助于解析动态分子调控在渗透胁迫响应的时空复杂性，并为干旱和盐胁迫等非生物胁迫的研究提供重要的理论依据，这项研究的技术创新也开拓性地展示出单细胞多组学技术在植物抗逆研究中的广阔应用前景。

该研究由河北农业大学、华大生命科学研究院、格致博雅生物科技联合攻关完成。河北农业大学刘青副教授、马卫教授、华大生命科学研究院博士研究生 陈睿颖 、格致博雅生物科技 李尚桐 博士为论文的共同第一作者。华大生命科学研究院 康靖民 研究员、河北农业大学 赵建军 教授、程奇教授、华大生命科学研究院 孙海汐 研究员为该论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、华北作物改良与调控国家重点实验室、河北省省级科技计划资助。

文章链接： https://doi.org/10.1002/advs.202308384

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