单细胞转录组测序揭示拟南芥气孔和叶子的谱系轨迹

单细胞测序(single-cell sequencing)现在已经成为最热门的技术之一。 单细胞RNA测序(scRNA-Seq)对于多维度观察单细胞、揭示细胞异质性和功能、研究细胞谱系在发育过程中的进化路径等具有重要意义。

近年来,在植物科学领域,中国科学家在scRNA-Seq方面取得了重要进展,如中科院分子植物卓越中心的王家伟[1,2]、武汉的孙梦翔大学[3]、河南大学孙旭武[4]等课题组均发表了与scRNA-Seq相关的高水平文章,可见这一新兴技术在植物研究中的巨大潜力。

气孔是植物叶片表皮细胞通过不对称分裂产生的微小孔隙。 在此过程中,会创建两种单元类型,即路面单元和保护单元 [5]。 保卫细胞参与调节植物蒸腾作用。 与环境进行气体交换[6]。 然而,目前尚不清楚气孔谱系发育过程中细胞功能灵活性的分子机制以及如何确定叶片中的细胞命运。

近日,斯坦福大学Dominique C. Bergmann教授课题组发表了题为Single-cell resolution of lineage trajectories in the Arabidopsis stomatal lineage and Developing Leaf in Developmental Cell, using scRNA-Seq技术结合分子遗传学等方法的研究论文解析了拟南芥叶片组织中不同类型细胞分化的动态模型。

单细胞转录组测序揭示拟南芥气孔和叶子的谱系轨迹
鉴于之前发表的叶片 scRNA-seq 数据主要是叶肉细胞,研究人员使用拟南芥分生组织层 ATML1(MERISTEM LAYER 1)启动子驱动报告基因,结合荧光激活细胞分选(FACS)和微流体10X Genomics 平台,以获得更全面、更平衡的叶片细胞类型,以供后续分析。

此外,利用在不同细胞类型中特异性表达的基因,我们定义了血管、叶肉和表皮细胞簇,并通过细胞身份和轨迹的比较分析,揭示了这些细胞类型和叶片距离/接近度的特定遗传程序。 轴向平面的极性特征。 为了进一步探索气孔细胞谱系的分化模式,研究人员使用气孔发育基因 TMM (TOO MANY MOUTHS) 启动子驱动报告基因,并获得了表皮细胞中气孔谱系特异性的 scRNA-seq 数据集。

通过分析 13,000 个气孔谱系细胞,研究人员确定了倾向于气孔命运或以前仅以细胞形态为特征的命运的分化轨迹。 伪时间轨迹表明,气孔分化不是通过单一途径实现的,而是通过多种途径实现的。

作者推测,特定细胞命运的选择可能是由快速、局部甚至随机事件引起的,而不是定量到定性的过程。 此外,研究还发现,早期调控细胞发育的转录因子SPEECHLESS(SPCH)在晚期也发挥作用,与MUTE、FAMA等其他转录因子协同驱动细胞命运。并促进保卫细胞的分化。

Bergmann 教授获得了博士学位。 2000年获得科罗拉多大学分子生物学博士学位,后进入美国卡内基科学研究所进行博士后研究。

目前,Bergmann教授在美国斯坦福大学生物学院工作,主要从事细胞不对称分裂在气孔发育中的相关工作。 拟南芥(Arabidopsis thaliana).

 

参考文献: 1. 张太清,徐志刚,尚广,等。 单细胞 RNA 测序描绘拟南芥根的发育景观[J]. 分子植物, 2019, 12(5).2. 张天清, 陈昱, 王俊文. 拟南芥营养茎顶端的单细胞分析[J]. 发育细胞,2021.3。 周X,刘Z,沉K,等。 细胞谱系特异性转录组分析解释原胚细胞命运规范[J]. 自然通讯,2020,11(1):1366.4。 刘 Z,周 Y,郭杰,等。 单细胞RNA测序气孔谱系细胞发育的全球动态分子谱[J]。 分子植物,2020.5。 Lee LR, Wengier DL, Bergmann D C. 拟南芥气孔谱系细胞重编程过程中细胞类型特异性转录组和组蛋白修饰动力学[J]. 美国国家科学院院刊,2019,116(43):201911400.6。 是。 H,菲。 W. 气孔在感知和驱动环境变化中的作用[J]. 自然,2003,424(6951):901-908。