2021年11月22日，諾禾致源單細(xì)胞客戶在Genome Biology（IF=13.583）上發(fā)表了題為“Transcriptional landscape of highly lignified poplar stems at single-cell resolution”的研究論文，該研究利用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)構(gòu)建了楊樹(shù)莖干組織的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，諾禾單細(xì)胞在此研究中提供單細(xì)胞建庫(kù)測(cè)序及數(shù)據(jù)分析服務(wù)。
研究背景
與草本植物不同，多年生木本植物可通過(guò)維管形成層的細(xì)胞活動(dòng)實(shí)現(xiàn)樹(shù)木橫向加粗生長(zhǎng)，即次生生長(zhǎng)，植物的次生生長(zhǎng)依賴于維管形成層的活性，維管形成層產(chǎn)生木質(zhì)部和韌皮部。來(lái)自木質(zhì)部的木材是全球最豐富的生物質(zhì)形式，在整個(gè)人類(lèi)歷史中發(fā)揮著關(guān)鍵的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生存作用，為人類(lèi)社會(huì)提供必需的木材資源。研究樹(shù)木莖干的細(xì)胞組成、基因表達(dá)特征和分化過(guò)程，對(duì)于理解樹(shù)木的次生生長(zhǎng)具有重要意義。
研究思路
研究結(jié)果
1.?楊樹(shù)莖干單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄圖譜的構(gòu)建
研究者應(yīng)用了優(yōu)化的原生質(zhì)體分離方案，分別選取楊樹(shù)莖干組織的木質(zhì)部和韌皮部進(jìn)行原生質(zhì)體分離，通過(guò)10X Genomics平臺(tái)分選捕獲單細(xì)胞，illumina平臺(tái)測(cè)序，獲得了6,796個(gè)cells，并根據(jù)細(xì)胞特異性標(biāo)記基因?qū)⑵鋭澐譃?0個(gè)clusters，鑒定了包含表皮、內(nèi)皮層、篩管和伴胞、形成層和木質(zhì)部等在內(nèi)的15個(gè)主要細(xì)胞群，如下圖1所示。
2.?韌皮部細(xì)胞的分化軌跡
緊接著研究者通過(guò)對(duì)標(biāo)記基因的表達(dá)動(dòng)態(tài)分析，構(gòu)建了韌皮部和木質(zhì)部細(xì)胞的連續(xù)分化軌跡（圖2和圖3）。其中韌皮部分化軌跡以韌皮母細(xì)胞（Phloem mother cell）為起始，繼而分化為篩管（Sieve Element, SE）和伴胞（Companion Cells, CC）；而木質(zhì)部的細(xì)胞分化軌跡由形成層和木質(zhì)部母細(xì)胞為起始，繼而向薄壁細(xì)胞、次生壁加厚的纖維和導(dǎo)管細(xì)胞（Fiber and Vessel）兩大分支分化。根據(jù)這些分化軌跡上關(guān)鍵基因的動(dòng)態(tài)表達(dá)特征，揭示了楊樹(shù)莖干組織中韌皮部和木質(zhì)部細(xì)胞分化的分子機(jī)理，并繪制了植物激素合成和響應(yīng)相關(guān)基因的細(xì)胞表達(dá)圖譜。
3.?scRNA-seq預(yù)測(cè)楊樹(shù)莖干發(fā)育過(guò)程中潛在的基因冗余
除此之外，由于楊柳科植物近期經(jīng)歷過(guò)一次全基因組加倍事件，導(dǎo)致同源基因的功能存在冗余性，不利于楊樹(shù)的基因功能研究。因此，研究者對(duì)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)開(kāi)展了進(jìn)一步的比較研究，對(duì)這些同源基因在楊樹(shù)莖干發(fā)育過(guò)程中的功能冗余程度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，鑒定了林木中與維管發(fā)育相關(guān)的候選基因，為深入解析楊樹(shù)維管細(xì)胞分化的分子機(jī)制提供了重要依據(jù)，如下圖4。
結(jié)論
以上這些發(fā)現(xiàn)建立了楊樹(shù)莖干主要細(xì)胞類(lèi)型的單細(xì)胞分辨率轉(zhuǎn)錄景觀，為研究維管細(xì)胞的分化及其分化的基本原理提供了有價(jià)值的資源。
