文章名称：Transcriptional Landscape of Rice Roots at the Single Cell Resolution
发表时间：2020年12月
发表单位：中国农业科学院生物技术研究所等
发表期刊：Molecular Plant
影响因子：12.084
一、研究背景
根系对于维管植物的生长和发育是必不可少的，量化单个细胞或细胞群水平的基因表达对于理解根发育相关的复杂基因调控网络至关重要。目前植物根的单细胞转录组研究主要针对的是双子叶植物拟南芥，然而单子叶植物与双子叶植物根系的解剖学和形态学特征不同，单子叶植物根的转录图谱研究水平有限，细胞类型及其进化的分子机制仍未可知。
二、技术路线
本研究选取了单子叶植物水稻两个品种粳稻Nip和籼稻93-11的根尖区域（5 mm），获得了原生质体并对其进行单细胞转录组测序，基于scRNA-seq构建了粳稻Nip和籼稻93-11的根组织转录组图谱，并得到了一组新的marker基因；通过Seurat聚类分析鉴定到了主要细胞类型并发现两品种的根组织具有高度保守性；通过Monocle拟时序分析，刻画了表皮和根毛的分化轨迹；为了解单子叶和双子叶植物保守根细胞类型的发育过程，作者合并拟南芥和水稻的数据集并进行比较，通过相关性分析，揭示了水稻和拟南芥根细胞的保守性和不同。技术路线如下：
三、研究结果
1.构建水稻根组织的细胞图谱
基于scRNA-seq构建了粳稻Nip和籼稻93-11的根组织细胞图谱，总共鉴定了8种主要的细胞类型，包括皮质、内皮层、表皮、表皮（近根毛）、后生木质部、根冠、根毛和中柱。利用差异表达分析，作者还得到了一组新的水稻根尖marker基因（LOC_Os06g38960、LOC_Os03g25280、LOC_Os04g46810、LOC_Os01g73700、LOC_Os08g03450、LOC_Os03g374137、LOC_Os01g73980）。并利用荧光原位杂交实验进行了验证。
图1 水稻根尖细胞聚类和差异基因表达分析（图片引自文献[1]）
2.水稻品种间高度保守的细胞聚类
将粳稻Nip和籼稻93-11不同细胞类型基于基因的表达模式进行相关性分析，发现细胞类型的同源性很高，体现了水稻两品种间具有高度的保守性。作者还发现品种特异性基因主要在根冠细胞中高表达，这符合两水稻品种的根冠形态差异大的特征。这些品种特异性基因的表达与各种环境刺激的反应有关，不同细胞群的激素及其表达水平不同。
图2 水稻品种间高度保守的细胞聚类和差异基因表达分析（图片引自文献[1]）
3.表皮细胞向根毛细胞的分化轨迹
利用拟时序分析发现表皮细胞分化为根毛细胞（分支1）和分化的表皮细胞（分支2）。作者在不同分支间发现了534个差异表达基因，如基因LOC_Os07g43670同时高表达于表皮细胞和根毛细胞中，但在分化的表皮细胞中低表达，这支持了从表皮到根毛的发育过程。
图3 表皮细胞和根毛细胞的拟时序分析（图片引自文献[1]）
4.水稻和拟南芥细胞的保守性和不同
为了确定单子叶植物和双子叶植物根细胞类型的进化保守性，作者对水稻和拟南芥的数据集进行了相关性分析。作者发现拟南芥皮质细胞与水稻的部分皮质细胞相关性高，反应了二者在皮质部分的功能保守性；但二者在表皮、内皮、中柱和根冠细胞上的分歧更大。作者进一步发现，水稻和拟南芥的差异基因主要是编码膜蛋白和离子泵的家族，可能与二者的细胞功能、根系形态分化相关。
图4 水稻与拟南芥细胞类型相关性和差异基因表达分析（图片引自文献[1]）
本研究对单子叶植物水稻根进行了单细胞转录组研究，弥补了单细胞研究中单子叶植物根的空白，揭示了水稻不同品种间的保守性；同时结合拟南芥的数据集，揭示了单子叶植物和双子叶植物根的保守性和差异性，强调了分析包括水稻在内的不同模式物种的组织的重要性。同物种不同品种及不同品种间的单细胞转录组比较，值得我们在后续研究中借鉴。
参考文献：
[1] Liu Q , Liang Z , D Feng, et al. Transcriptional landscape of rice roots at the single-cell resolution[J]. Molecular Plant,14(3):11.
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