6月18日，中国科学院遗传与发育生物学研究所钱文峰课题组在期刊《Journal of Genetics and Genomics》上发表了题为“Single-cell transcriptome atlas of the leaf and root of rice seedlings”的研究论文。该研究对正常条件和非生物胁迫条件下的水稻幼苗样品进行单细胞转录组测序，共捕获了237,431个水稻细胞，转录组分析确定了主要细胞类型，揭示了植物细胞对非生物胁迫转录响应的基本规律，表明单细胞转录组分析在了解植物细胞间的异质性方面能够发挥重要作用。
在多细胞植物中，各类细胞作为一个整体确保植物的正常生长，而单个细胞功能上的异质性是由细胞分化过程中转录活动的程序化调控产生的，因此了解单细胞转录组的异质性将为植物发育和抗逆研究提供独特的见解。然而，这种异质性通常无法通过传统的批量RNA测序(RNA-seq)分析检测到。近年来单细胞转录组(scRNA-seq)技术的发展和应用使高通量捕获植物单个细胞的转录组成为可能。目前scRNA-seq技术已成功应用于双子叶模式植物拟南芥中，但其在水稻中的适用性，特别是能否应用于水稻的地上组织，还有待探索。
该研究利用粳稻品种(Nipponbare)两周幼苗的叶、主根和冠根的顶端组织作为样本制备原生质体，利用10x Genomics单细胞转录组测序，共获得了237,413个水稻细胞的单细胞转录组，识别出了15种叶组织和9种根组织的细胞类型。该研究进一步发现除内皮层和表皮细胞层外大多数叶和根相同组织层的细胞具有相近的转录组特征。值得注意的是，虽然叶细胞和根细胞处于同一细胞簇，依然可以通过叶和根特异表达的标记基因在转录组上对细胞的器官来源加以区分，因此可以使用全苗样品混合测序通过计算进行细胞器官身份的鉴定。
水稻叶片和根系的单细胞转录组图谱（图片引自文献[1]）
为了进一步探究细胞类型在响应非生物胁迫时潜在的异质性问题，该研究还构建了水稻幼苗在低氮、缺铁及高盐三种非生物胁迫下的单细胞转录组图谱。结果显示虽然在某些细胞类型之间存在共享转录调控，但大多数不同的转录响应仅发生在单个细胞类型中。而同种类型的细胞倾向于使用同一转录调控策略来应对不同的非生物胁迫。此外，研究人员还发现，在非生物胁迫下细胞群的比例也会发生变化，并通过单细胞发育轨迹的重建探究了潜在的分子机制。
非生物胁迫下细胞类型特异性基因表达的变化（图片引自文献[1]）
该研究确认了scRNA-seq在水稻发育和抗逆研究中的适用性，为水稻单细胞转录组图谱的完整绘制提供了数据资源，是利用数据资源推动植物生物学研究的一个例证，为其它植物单细胞图谱的构建奠定了基础。
参考文献
1. Yu Wang, Qing Huan, Ke Li et al. Single-cell transcriptome atlas of the leaf and root of rice seedlings[J]. J Genet Genomics, 2021.
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