4月6日，Nature Communications在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員王佳偉研究組完成的研究論文Single-Cell Transcriptome Atlas and Chromatin Accessibility Landscape Reveal Differentiation Trajectories in the Rice Root。該研究系統(tǒng)揭示了水稻根單細(xì)胞異質(zhì)性（heterogeneity），描繪了水稻根表皮細(xì)胞（epidermal cell）和基本組織（ground tissue）細(xì)胞的分化軌跡，明確了在根尖干細(xì)胞分化過程中基因表達(dá)與基因染色質(zhì)可及性（Chromatin accessibility）的相關(guān)性，并闡明了單子葉植物水稻和雙子葉植物擬南芥在根尖細(xì)胞類型上的進(jìn)化保守性。

 

　　水稻是重要的糧食作物之一。根是水稻重要的組織器官，負(fù)責(zé)固定和支撐植物，從土壤中吸收水、礦質(zhì)元素供給植物生長(zhǎng)發(fā)育，參與植物與生物或非生物信號(hào)的互作。有別于雙子葉模式植物擬南芥，水稻是須根系植物，有著不同的生長(zhǎng)和發(fā)育模式。此外，為了更好的適應(yīng)水生環(huán)境，水稻還進(jìn)化出外皮層組織（exodermis）、厚壁組織（sclerenchyma）、通氣組織以及多細(xì)胞層的皮層組織（cortical cells）等特化結(jié)構(gòu)。遺傳突變體篩選是傳統(tǒng)發(fā)育生物學(xué)和功能基因組學(xué)獲得重要調(diào)控基因的有力手段，卻往往受限于研究周期長(zhǎng)、黑盒測(cè)試、數(shù)量性狀、工作量大等不利因素。近年來(lái)，隨著單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)明與應(yīng)用，研究人員可以在單細(xì)胞水平系統(tǒng)了解生命體細(xì)胞的異質(zhì)性，描繪各種類型細(xì)胞的分化和發(fā)育軌跡，加速發(fā)育過程重要調(diào)控因子的挖掘進(jìn)程。

 

　　實(shí)驗(yàn)室前期的研究工作描繪了雙子葉模式植物擬南芥的根單細(xì)胞圖譜（Zhang et al., Molecular Plant, 2019）。為了進(jìn)一步探究單子葉植物根的發(fā)育模式，揭示單雙子葉植物根的演化規(guī)律，科研人員將scRNA-seq和ATAC-seq技術(shù)應(yīng)用到水稻根的研究。scRNA-seq實(shí)驗(yàn)捕獲了27469個(gè)高質(zhì)量單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。通過聚類分析，將這些細(xì)胞注釋為21個(gè)不同的細(xì)胞類群（cluster），分別對(duì)應(yīng)水稻根表皮、外皮層、厚壁組織、皮層、內(nèi)皮層、中柱鞘、分生組織、維管組織等細(xì)胞類群。通過原位雜交和構(gòu)建報(bào)告基因，發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了一系列全新的細(xì)胞類型標(biāo)記基因。進(jìn)一步通過重排過渡態(tài)細(xì)胞和擬時(shí)間分析，描繪了表皮分生組織細(xì)胞通過分裂和分化形成成毛體細(xì)胞（trichoblasts）或非成毛體細(xì)胞（atrichoblasts）的發(fā)育過程，闡明了基本分生組織祖細(xì)胞（ground tissue initial）分化形成皮層、厚壁組織和外皮層的分化軌跡。scRNA-seq和ATAC-seq整合分析顯示，一些重要調(diào)控因子的染色質(zhì)開放狀態(tài)與其基因表達(dá)模式呈現(xiàn)時(shí)空關(guān)聯(lián)性。通過結(jié)合反向遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水稻根分生組織類群特異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子OsGATA6參與了水稻根基本組織和維管束組織的發(fā)育過程，提示單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)可以有效提升作物反向遺傳學(xué)的成功效率。

 

　　研究通過與擬南芥根單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集的整合分析，發(fā)現(xiàn)二者細(xì)胞類型在進(jìn)化上保守性較低。僅在根毛、木質(zhì)部、韌皮部等細(xì)胞類型中存在較高相似性。進(jìn)一步深入比較和分析這些保守細(xì)胞類型，挖掘出一些潛在的核心細(xì)胞類型調(diào)控基因。這些研究成果幫助我們繪制了水稻根的單細(xì)胞圖譜，為今后解析水稻根發(fā)育的精細(xì)過程和分子機(jī)制，人工定制根系以及提高營(yíng)養(yǎng)吸收能力奠定了良好的基礎(chǔ)。

 

　　分子植物卓越創(chuàng)新中心博士后張?zhí)炱鏋檎撐牡谝蛔髡?，張?zhí)炱妗⑼跫褌檎撐墓餐ㄓ嵶髡?。分子植物卓越?chuàng)新中心博士研究生陳瑜，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)講師劉曄、上海交通大學(xué)教授林文慧參與研究。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程和中國(guó)博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等的資助。

 

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