第1个回答 2022-07-25
植物单细胞转录组测序（sc RNA-seq）自2019年问世以来，已经被应用到植物细胞图谱、植物器官发育等领域的研究中。目前植物单细胞的研究大多是以细胞分群和差异基因分析为基础，进而解析细胞发育及其调控机制，再深度探究非生物胁迫环境下细胞的响应机制。受技术水平的限制，植物单细胞研究初期的物种仅局限于拟南芥，但随着技术瓶颈的不断突破，已逐步拓展到水稻、玉米、番茄、杨树和花生等多个物种，涉及根、茎、叶、花、花粉和精子以及种子胚乳等多种组织类型。本文选取2020年至2021年发表的各类植物的单细胞代表性文章（见文章末尾表格），归纳出每篇文章的主要内容及其亮点，总结其研究思路，让您对目前植物单细胞的研究动态一目了然。
1.研究概要
研究人员以5日龄水稻胚根（靠近根尖1 cm，约90个幼苗）为材料制备原生质体进行单细胞测序，设置两个生物学重复，构建了包含21个细胞群的水稻胚根的细胞图谱；描绘了水稻根表皮细胞（Epidermal Cell）和基本组织（Ground Tissue）细胞的分化轨迹；通过ATAC-seq和sc RNA-seq关联分析，阐明了细胞分化的转录因子调控机制；通过拟南芥根尖和水稻根尖的转录组图谱和标记基因分析，揭示了双子叶植物和单子叶植物根发育途径的保守性和差异性。
2.研究思路
3.评论
该文章虽然仅用2例水稻胚根的样本开展研究，但将单细胞转录组和单细胞ATAC的数据结合起来，从多组学的角度讨论植物器官发育的分子机制，这是未来单细胞发展的重要趋势。
1.研究概要
研究人员以6周龄拟南芥成熟叶片为材料，富集了拟南芥叶片中的维管细胞，鉴定了至少19个细胞群，包括表皮细胞、保卫细胞、吐水细胞、叶肉细胞以及各种其他维管细胞类型，并且通过通路富集分析明晰了各类细胞发挥的功能作用和参与的代谢通路。具有韧皮部薄壁细胞特征的细胞群高表达转运蛋白相关基因，比如SWEET11和SWEET12（蔗糖和鲜味氨基酸）外排载体基因。作者发现韧皮部薄壁组织的发育独立于韧皮部分化必需的转录因子APL。韧皮部薄壁细胞具有独特的氨基酸代谢模式，该模式与伴胞（CC）的代谢模式明显不同，这就解释了叶脉中差异的氨基酸分布或代谢水平存在差异的原因。维管细胞的单细胞聚类分群结果与叶脉传统形态学的细胞分类吻合，只是伴胞（CC）与包括韧皮部薄壁细胞（PP）在内的其它维管细胞有明显的分化。综上，本文所报道的拟南芥叶片维管组织单细胞转录组分析为叶片的维管以及叶片不同细胞类型之间的关系提供了广泛的信息。
2.研究思路
3.评论
研究确定了所有维管组织细胞，对拟南芥叶片维管组织重要的细胞类型都做了比较深入的探讨，同时为研究特定的细胞类型，如韧皮部薄壁组织和维管束鞘细胞提供了新的见解，较为透彻地解析了维管组织发育过程中各类细胞的分化机制。
1.研究概要
该研究以7日龄花生叶片为材料进行单细胞测序，共获得6815个细胞，聚类为8个细胞群，分别为栅栏叶肉细胞、海绵叶肉细胞、表皮细胞、原基细胞、韧皮部细胞、束鞘细胞、薄壁细胞和气孔保卫细胞。利用拟时序分析构建了花生叶片细胞分化轨迹，表明花生叶片分化发育过程存在明显的时间异质性，揭示了叶肉细胞的形成机制：由叶原基首先发育为实质细胞，然后发育为栅栏层叶肉细胞。通过拟时序分析还推断了表皮细胞的形成机制：一是茎尖分生组织驱动原始表皮细胞形成表皮细胞，二是原叶原基细胞直接进化为表皮细胞。该研究表明应用sc RNA-seq可以探究花生叶片的细胞分化，sc RNA-seq将使异源四倍体花生和其他植物的叶片细胞功能研究取得重大进展。
2.研究思路
3.评论
首次对非模式物种花生的叶片进行了研究，为其余物种的叶片研究提供大量marker基因，文章结合微分离、细胞壁消化、SMARTseq文库构建和qPCR检测进行了单细胞数据验证，同时对关键转录因子进行了拟南芥转基因功能验证，从实验层面支持了sc RNA-seq数据结果。
参考文献
1. Zhang T Q, Chen Y, Liu Y, et al. Single-cell transcriptome atlas and chromatin accessibility landscape reveal differentiation trajectories in the rice root[J]. Nature communications, 2021, 12(1): 1-12.
2. Kim J Y, Symeonidi E, Pang T Y, et al. Distinct identities of leaf phloem cells revealed by single cell transcriptomics[J]. The Plant Cell, 2021, 33(3): 511-530.
3. Chen Y, Tong S, Jiang Y, et al. Transcriptional landscape of highly lignified poplar stems at single-cell resolution[J]. Genome biology, 2021, 22(1): 1-22.
4. Liu H, Hu D, Du P, et al. Single-cell RNA-seq describes the transcriptome landscape and identifies critical transcription factors in the leaf blade of the allotetraploid peanut (Arachis hypogaea L.)[J]. Plant biotechnology journal, 2021, 19(11): 2261-2276.