植物单细胞测序如此火爆，原生质体制备难题怎能不破

2021-06-08 本文已影响0人贝瑞科服

单细胞测序可以在单细胞水平揭示多细胞生物固有的异质性，并以独特的优势在细胞类型鉴定、复杂细胞生物学进程解析、癌症和疾病发生机制探索等方面发挥重要作用。近年，单细胞测序在植物中的应用也逐渐火爆。但与人和动物不同的是，植物细胞受到细胞壁的限制。因此，制备原本质体是植物单细胞研究的首要环节。下面我们来看看日渐火爆的植物单细胞研究。

1、水稻：从单一组学到多组学

2020年12月，中国农科院生物技术研究所的研究人员通过对两个重要水稻品种的根尖进行单细胞RNA测序，鉴定了根尖的主要细胞类型及其特定的调节程序。同期，福建农林大学的研究人员通过单细胞RNA测序建立了水稻叶片细胞转录因子靶标预测方法。此外，2020年1月中科院遗传与发育生物学研究所的研究人员发表在预印本的研究对不同环境下水稻幼苗的地上部分进行单细胞 RNA 测序，揭示了非生物胁迫对细胞类型特异基因表达的方式甚至细胞大小和细胞组成的影响。2021年4月，中科院植物生理生态研究所的研究人员首次将单细胞RNA测序和ATAC测序同时应用于水稻胚根，重建了表皮细胞和基础组织的发育轨迹，阐明这些细胞谱系中细胞命运决定的调控网络，确定了这些细胞类型的特征过程、转录组谱和标记基因，并揭示了单、双子叶植物之间保守和不同的根发育途径。

图1 单细胞水平上水稻根系的转录景观（Molecular Plant，2020）

图2 单细胞RNA测序预测转录因子靶标（Frontiers in Plant Science,2020）

图3 水稻对非生物胁迫的细胞和发育反应（bioRxiv,2020）

图4 单细胞转录组和染色质可及性图谱揭示水稻根的分化轨迹（Nature Communications,2021）

2、玉米：从单组织图谱到全器官图谱，从发育过程到功能基因研究

早在2019年4月，美国斯坦福大学的研究人员就利用单细胞RNA测序重构了玉米雄蕊减数分裂的发育程序。2020年12月，美国康奈尔大学的研究人员利用单细胞RNA测序研究了玉米幼苗茎尖分生组织分化。2021年1月，德国杜塞尔多夫大学的研究人员利用单细胞RNA测序研究了玉米束鞘的分化和韧皮部的蔗糖运输机制。2021年2月，美国冷泉港实验室的研究人员利用单细胞转录组测序构建了玉米果穗的发育图谱，并整合ATAC-seq数据探索了基因表达调控网络，还结合GWAS挖掘了产量性状相关基因，将单细胞测序在作物研究上的应用推向了新的高度。2021年5月，美国佐治亚大学的研究人员利用单细胞测序技术绘制了玉米腋芽、雄蕊、雌蕊、幼苗全苗、胚根尖、胚后冠根六大器官的单细胞水平顺式调控模式。

图5 单细胞RNA测序研究玉米减数分裂的发育程序（Science,2020）

图6 玉米茎尖单细胞RNA测序揭示分生组织分化（PNAS,2020）

图7 玉米叶片单细胞RNA测序揭示韧皮部蔗糖运输机制（The Plant Cell,2021）

图8 玉米果穗单细胞RNA测序促进功能分析和基因挖掘（Developmental Cell,2021）

图9 玉米单细胞测序构建单细胞分辨率的顺式调控图谱（Cell,2021）

3、拟南芥根：一千个研究有一千种解读

早在2015年1月，首篇植物单细胞测序的研究就实现了拟南芥根尖的细胞鉴定。此后，大量拟南芥单细胞测序的研究被报道，特别是对拟南芥根的研究大量涌现。这些研究从不同角度对拟南芥根的发育进行了单细胞水平的解读，从拟南芥根的发育景观和细胞之间的分子关系，到细胞基因表达的动态和时空发育轨迹和侧根发生过程，再到发育动态与环境反应、核内周期中生长素的动态、木质部细胞分化中驱动开关的分子机制和表皮对限制性磷酸盐条件的反应等。