Enkeltcellet transkriptom-sekventering afslører afstamningsbaner af Arabidopsis-stomi og blade

Enkeltcelle-sekventering (enkeltcelle-sekventering) er nu blevet en af ​​de hotteste teknologier. Enkeltcellet RNA-sekventering (scRNA-Seq) er af stor betydning ved observation af enkeltceller i flere dimensioner, afsløring af cellulær heterogenitet og funktion og undersøgelse af cellelinjernes evolutionære veje under udvikling.

I de senere år, inden for plantevidenskab, har kinesiske videnskabsmænd gjort vigtige fremskridt inden for scRNA-Seq, såsom Wang Jiawei fra Center of Excellence for Molecular Plants ved det kinesiske videnskabsakademi [1,2], Sun Mengxiang fra Wuhan University [3], og Sun Xuwu fra Henan University [4] og andre forskningsgrupper har alle publiceret artikler på højt niveau relateret til scRNA-Seq, som viser det store potentiale i denne nye teknologi inden for planteforskning.

Stomata er bittesmå porer produceret af planteblads epidermale celler gennem asymmetrisk deling. Under denne proces skabes to celletyper, fortovsceller og vagtceller [5]. Vagtceller er involveret i at regulere plantetranspiration. og gasudveksling med miljøet [6]. Imidlertid er de molekylære mekanismer, der ligger til grund for cellulær funktionel fleksibilitet under udvikling af stomatal afstamning, og hvordan celleskæbner i blade bestemmes i øjeblikket ukendte.

For nylig offentliggjorde forskningsgruppen af ​​professor Dominique C. Bergmann fra Stanford University en forskningsartikel med titlen Single-cell resolution of lineage trajectories in the Arabidopsis stomatal lineage and developing leaf in Developmental Cell, ved hjælp af scRNA-Seq teknologi kombineret med molekylær genetik og andre metoder En dynamisk model af differentieringen af ​​forskellige typer celler i Arabidopsis bladvæv blev løst.

I betragtning af at de tidligere publicerede blade scRNA-seq data hovedsageligt er mesofylceller, brugte forskerne Arabidopsis meristem lag ATML1 (MERISTEM LAYER 1) promotor til at drive reportergenet, kombineret med fluorescensaktiveret cellesortering (FACS) ) og mikrofluidikken af 10X Genomics platformen for at opnå en mere omfattende og afbalanceret celletype i blade til efterfølgende analyse.

Yderligere, ved at bruge gener specifikt udtrykt i forskellige celletyper, definerede vi klynger af vaskulære, mesofyl- og epidermale celler, og gennem sammenlignende analyse af celleidentiteter og -baner afslørede de specifikke genetiske programmer for disse celletyper og bladafstand/nærhed. Polære karakteristika af aksialplanet. For yderligere at udforske differentieringsmønstrene for stomatale cellelinjer brugte forskerne stomataludviklingsgenet TMM (TOO MANY MOUTHS) promotoren til at drive et reportergen og opnåede et stomatallinjespecifikt scRNA-seq-datasæt i epidermale celler.

Ved at analysere 13,000 celler af stomatal afstamning identificerede forskerne differentieringsbaner, der havde tendens til enten stomatale skæbner eller skæbner, der tidligere kun var karakteriseret ved cellemorfologi. Pseudotidsbaner viser, at stomatal differentiering ikke opnås ved en enkelt vej, men af ​​flere veje.

Forfatterne spekulerer i, at valget af specifikke celleskæbner kan være forårsaget af hurtige, lokale eller endda tilfældige begivenheder, snarere end en kvantitativ til kvalitativ proces. Derudover fandt undersøgelsen også, at transkriptionsfaktoren SPEECHLESS (SPCH), som regulerer celleudvikling i det tidlige stadie, også spiller en rolle i det sene stadie, og det samarbejder med andre transkriptionsfaktorer såsom MUTE og FAMA for at drive celleskæbne. og fremme differentieringen af ​​vagtceller.

Professor Bergmann fik sin ph.d. i Molecular Biology fra University of Colorado i 2000, og kom derefter ind på Carnegie Institution for Science i USA for postdoktoral forskning.

I øjeblikket arbejder professor Bergmann på School of Biology, Stanford University, USA, og er hovedsageligt beskæftiget med arbejdet relateret til asymmetrisk celledeling i stomatal udvikling af Arabidopsis thaliana.

 

referencer: 1. Zhang TQ, Xu ZG, Shang GD, et al. En enkeltcellet RNA-sekventering profilerer udviklingslandskabet for Arabidopsis-roden[J]. Molecular Plant, 2019, 12(5).2. Zhang TQ, Chen Y, Wang J W. En enkeltcellet analyse af Arabidopsis vegetative skudspids[J]. Udviklingscelle, 2021.3. Zhou X, Liu Z, Shen K, et al. Cellelinjespecifik transkriptomanalyse til fortolkning af celleskæbnespecifikation af proembryoner [J]. Nature Communications, 2020, 11(1):1366.4. Liu Z, Zhou Y, Guo J, et al. Globale dynamiske molekylære profiler af stomatal liniecelleudvikling ved enkeltcellet RNA-sekventering[J]. Molekylær plante, 2020.5. Lee LR, Wengier DL, Bergmann D C. Celletypespecifik transkriptom og histonmodifikationsdynamik under cellulær omprogrammering i Arabidopsis stomatale linie[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116(43):201911400.6. Er. H, Fi. W. Stomatas rolle i sansning og fremdrift af miljøændringer[J]. Nature, 2003, 424(6951):901-908.