单细胞转录组测序技术可以全面真实的揭示细胞的多样性和复杂性，尤其是在单细胞分辨率下对于样本的转录本信息进行研究，可以完美的解决细胞异质性问题。单细胞RNA测序技术在生物医学领域展现出强大的应用前景。但在植物研究中由于细胞壁等因素的限制，相关研究稍显缓慢。直到2019年2月，Plant Physiology发表了10x Genomics植物单细胞转录组测序文章，证实了高通量单细胞测序技术在植物中的可行性和有效性，也点燃了单细胞测序在植物学领域的研究热潮。这些研究从不同层面对细胞的发育、细胞功能及基因网络调控等方向进行了深入探索，开启了我们对真实的植物细胞微观世界的认知。
绘制植物细胞图谱
植物细胞图谱的建立可以帮助我们深入了解组织中细胞类型的组成和不同环境或发育过程中的变化，还可以获取每个细胞的独特的转录本信息，以描述细胞身份和功能，并理解和识别复杂组织中最关键的细胞生物学进程。全面的植物细胞图谱构建除了可以促进基础研究之外，还为解决植物如何从胚发育成全株提供更多的参考信息。
举个例子
根是植物重要的组织器官，负责水分和矿物元素的吸收及转运，参与植物与生物或非生物信号的互作。因此，进一步探索根部器官的细胞组成及功能对深入了解植物生长发育具有重要作用。2019年4月国际学术期刊Molecular Plant 在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究组题为A Single-cell RNA Sequencing Profiles the Developmental Landscape ofArabidopsis Root 的研究论文。该研究以拟南芥根尖组织为材料，对85个拟南芥根尖（0.5cm长根尖区域）进行单细胞转录组测序。共获得7,695个根尖细胞，降维聚类后将这些根尖细胞进一步划分为24个细胞亚群。通过细胞注释鉴定出较为稀有的细胞类型，并找到了一批细胞类型标记基因。进一步研究发现，UMAP聚类结果可以重构跟发育的基本轨迹，实现了根分生组织细胞分裂和分化在单细胞水平上的准确投影。该研究在单细胞水平上揭示了拟南芥根尖细胞的异质性，构建了高精度的拟南芥根细胞发育轨迹图谱，为了解根组织复杂的细胞组成及功能提供了基本机理。
图1 拟南芥根尖细胞图谱（图片引自原文[1]）
构建细胞动态发育轨迹
在许多生物学过程中，机体为响应各种环境刺激，细胞在不同状态下进行转变。通过构建植物细胞间的变化轨迹来重塑细胞随着时间的变化过程，可以深入挖掘随着细胞状态的变化其细胞类型的改变；并进一步解析细胞分化路径，了解植物细胞的动态发育过程，揭示发育全局的动态分子特征。
举个例子
植物气孔参与蒸腾作用以及与环境质检的气孔交换。对于地上植物发育的研究，气孔发育是科研工作者研究细胞命运调控的首选模型。从单细胞水平对气孔发育进行研究，不但可以构建气孔谱系细胞的发育轨迹，还可以深入解析气孔谱系细胞发育的调控机制。2020年6月期刊Molecular Plant 在线发表了河南大学孙旭武教授课题组题为Global Dynamic Molecular Profiles of Stomatal Lineage Cell Development by Single-Cell RNA Sequencing的研究论文。该研究以5日龄拟南芥幼苗子叶中分离的原生质体为材料进行单细胞测序。共获得 12,844个细胞聚类的11个细胞簇，使用Monocle2对标记基因表达的拟时发育轨迹分析，构建了从MMC到GC的气孔谱系细胞的不同发育过程，揭示了它们之间潜在的相互作用。该研究为探究地上植物组织细胞发育拟时轨迹及调控机制提供了新的研究思路。
图2 拟南芥气孔谱系细胞发育轨迹示意图（图片引自原文[2]）
研究不同转录因子调控网络
植物协调生长发育和外界刺激响应信号需要各组织以及细胞间高效的信号交流。不同的信号转导因子受转录因子调节以响应不同变化。对于植物发育的调控机制研究，从不同细胞类型的转录因子调控网络开始分析，有助于深入理解细胞发育的生物学功能。
举个例子
植物协调生长发育过程中，转录因子在细胞命运决定中起到核心作用。2019年3月期刊Developmental Cell在线发表了德国蒂宾根大学Marja C.P. Timmermans实验室题为Spatiotemporal Developmental Trajectories in the Arabidopsis Root Revealed Using High-Throughput Single-Cell RNA Sequencing的研究论文。该研究对拟南芥根尖原生质体进行单细胞测序，共获得4,727个单细胞的转录组数据（2个生物学重复）。对拟时序分析数据中的239个转录因子进行分析，发现发育阶段相关的核心基因及其相互调控作用，其中大部分核心调控因子并未报导过与根发育相关。对其中25个核心组分进行分析发现这些核心转录因子在根的生长和分化中起到广泛作用，并通过对皮层细胞的类似分析得到了肯定的结果。该研究不但构建了基因调控网络，还揭示了早期分化起始和终末分化过程之间存在的复杂调控网络。
图3 拟南芥根尖细胞基因调控网络分析（图片引自原文[3]）
探索胁迫对不同细胞类型的响应
非生物胁迫是影响植物生长发育的重要环境因素，不同的非生物胁迫对植物光合作用及呼吸作用均有影响。以往的研究对非生物胁迫主要是从植物生理指标进行分析，但对于植物微观的细胞组成及细胞类型变化的研究很少见，而对非生物胁迫下细胞类型的鉴定及细胞群体的组成变化，可以帮助我们了解单细胞水平上植物细胞和发育生物学的机理。
举个例子
利用单细胞转录组分析水稻细胞及其发育对非生物胁迫的响应，可以帮助我们更好的了解在各种环境中生长的水稻幼苗的地上部分的细胞类型的变化，为推植物生物学发现提供有利资源支撑。2020年1月预印本在线发表了中科院遗传所钱文峰课题组题为Single-cell Transcriptome Analyses Recapitulate the Cellular and Developmental Responses to Abiotic Stresses in Rice的研究论文。该研究对野生型水稻和高盐胁迫下的水稻幼苗进行单细胞测序共获得4,580个细胞。野生型与对照组中鉴定出五种细胞类型，进一步分析不同样本之间的差异基因发现，非生物胁迫诱导的转录组变化因细胞类型而异。其次，非生物胁迫处理也改变了细胞群体的组成，减缓向叶肉细胞的分化。该研究不仅促进了在单细胞水平上对植物细胞和发育生物学的理解，而且有助于将来培育出更好的农作物以适应环境胁迫。
图4 非生物胁迫下细胞类型的动态变化（图片引自原文[4]）
总 结
植物单细胞的新纪元已经开启，从以往的研究上不难看出以不同植物类型的单细胞文章是可以占领高分文章的研究领域，因此开展植物单细胞多样化的深入研究，可以极大推进植物领域相关研究的进度。
10x Genomics植物单细胞转录组发表文章汇总
参考文献：
1. Zhang, Tian-Qi，Xu, Zhou-Geng, et al. A Single-cell RNA Sequencing Profiles the Develop- mental Landscape of Arabidopsis Root[J]. Molecular Plant. 2019.
2. Zhixin Liu，Yaping Zhou, et al. Global Dynamic Molecular Profiles of Stomatal Lineage Cell Development by Single-Cell RNA Sequencing[J]. Molecular Plant. 2020.
3. Denyer T, Ma X, et al. Spatiotemporal Developmental Trajectories in the Arabidopsis Root Revealed Using High-Throughput Single Cell RNA Sequencing[J]. Developmental Cell, 2019.
4. Yu Wang, Qing Huan, et al. Single-cell Transcriptome Analyses Recapitulate the Cellular and Developmental Responses to Abiotic Stresses in Rice[J]. bioRxiv. 2020.
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