植物研究：探索生长发育的奥秘 | 时空简讯35期

时空简讯第35期。

为了快速、高效地传播、共享空间组/单细胞分析技术在植物研究中应用的前沿成果，华大时空推出植物研究专题简讯，遴选出在植物生长发育、抗逆应激、免疫应答与致病机理，以及植物演化等相关的代表性前沿文章，持续、针对性地进行精要解读，敬请关注。

本期简讯主题是空间组/单细胞分析技术在植物生长发育领域的应用研究。植物的生长发育是植物生命活动中极其复杂又十分重要的生理过程，表现为种子发芽、生根、长叶、开花、结果、枯萎等。在这个过程中，通过细胞的分裂和伸长实现植物体积和重量的不可逆增加（生长），通过分生细胞转变成具有特定结构和生理机能的成熟细胞来实现植物各部分形成特异性结构（分化），通过细胞的分化而导致组织、器官的分化和形成来完成植物的构造和生理机能从简单到复杂的变化过程（发育）。针对植物生长发育的研究，尤其是时空组和单细胞测序新技术的应用，有助于深入理解植物生理学、实现植物栽培养护技术突破等。因此，本期特选取了10篇有关植物种子、根系、叶片、果实发育的代表性文章，供了解参考。

综述

Review

植物单细胞转录组分析：进展与挑战

Molecular Plant [IF: 12.084]

① 回顾了植物单细胞转录组分析的研究进展，特别是对于拟南芥根模型的开创性研究，为植物单细胞转录组分析建立了新的范例。

② 描述了一些用于植物的scRNA-seq数据分析工具，包括读取映射和数据预处理（STAR、Seurat、DoubletFinder等）、单元格聚类和数据可视化（PCA、tSNE等）、标记基因鉴定和细胞簇注释（Garnett、ScType等）、轨迹推断与基因表达动态（Monocle、CytoTRACE等）和批效应校正和数据集成（Harmony、LIGER等），可提供前所未有的分辨率和规模来研究植物发育和生理学。

③ 提出了利用scRNA-seq技术来解决植物研究和育种中的一些关键挑战，如细胞壁的去除、细胞尺寸较大，并指出了其未来应用发展方向，如空间分辨的scRNA-seq、scRNA-seq数据的跨物种比较。（宓晓晴）

植物单细胞转录组分析当前面临的挑战和未来发展方向

Single-cell transcriptome analysis in plants: Advances and challenges.

2020.11.02, DOI: 10.1016/j.molp.2020.10.012

综述；植物，scRNA-seq，数据分析，发育，生理；Rahul Shaw, Jian Xu; Institute for Water and Wetland Research, Radboud University, National University of Singapore; Netherlands, Singapore.

种子

Seeds

大麦种子萌发过程的时空特异性转录调控研究

The Plant Journal: for cell and molecular biology [IF：5.726]

①使用激光捕获显微解剖（laser-capture microdissection，LCM）每隔8 h（持续48 h）于大麦萌发种子胚芽、胚根尖和小盾片中连续纵切片，并进行RNA-seq以获得时空分辨率的转录组数据，这有助于生成一个种子萌发过程中单个细胞的结构和功能整合模型。

② 对胚芽、胚根尖和小盾片的时空转录组数据进行分析，发现各器官中DEGs数量随时间逐渐增加，共计9,016个；编码细胞壁、受体激酶信号传导和细胞骨架功能等相关功能的基因在上调的DEGs中显著富集，碳水化合物代谢、脱落酸信号转导和非生物胁迫等相关功能的基因在下调的DEGs中显著富集。

③ 种子萌发过程中25%（910）、34%（1,876）和41%（2,562）的DEGs分别为胚芽、胚根和小盾片所独有；胚芽特异性存储转录本在RNA和转录功能调控中显著富集，胚根在转运功能中显著富集，小盾片在氨基酸代谢中显著富集。

④ 编码转录调控因子的基因在种子萌发过程中呈现组织特异性表达，通过分析DEGs启动子显著富集的基序，鉴定到高度匹配的植物转录因子家族；利用加权基因相关网络分析预测调控种子萌发基因表达的时空特异性转录因子，如AP2、ERF和TCP等。（Yuki）

大麦种子解剖结构及激光捕获显微胚芽、胚根尖和小盾片图像

Temporal tissue-specific regulation of transcriptomes during barley (Hordeum vulgare) seed germination.

2019.12.03, DOI：10.1111/tpj.14574

研究文章；大麦，种子，萌发，发育，基因表达调控，转录因子，时空组学，LCM-seq; Lim Chee Liew, Reena Narsai; Mathew G. Lewsey; La Trobe University; Australia.

根系

Roots

高通量scRNA-seq揭示拟南芥根的时空发育轨迹

Developmental Cell [IF: 9.190]

① 利用基于液滴的scRNA-seq技术构建了4,727个拟南芥根单细胞的高分辨率转录组图谱，该图谱提供详细的时空信息，识别了根的所有主要细胞类型，包括静态中心（quiescent center，QC）的稀缺细胞，揭示了关键的发育调节因子和下游基因。

② 将4,727个细胞聚类为15个簇，基于细胞类型特异性标记基因的表达，注释到了根的所有主要细胞类型，并且鉴定到了少部分稀有的QC细胞；分生组织簇位于所有簇的中心位置，而包含特定命运细胞的簇呈现中心扩散模式，同一谱系起源的细胞表现为位置相邻。

③ 利用scRNA-seq数据，将簇之间的基因差异表达情况进行相互比较，定义簇间差异表达基因；比较QC细胞和分生细胞的转录组差异，发现254个QC特异性高表达基因，揭示了QC细胞的其他层面上的生物学功能。

④ 基于拟时序分析，展示了从干细胞向成熟生毛细胞转变的过程：大部分的根毛细胞发育核心基因在轨迹末端（发育后期）表达，少数细胞命运早期决定因子在轨迹前端（发育早期）表达，并在轨迹中间部分发现一些可能驱动根毛分化的新的关键基因。

⑤ 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；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，并在皮层细胞的类似分析中得到了证实。（寒鹤）

单细胞分辨率下拟南芥根的时空发育轨迹

Spatiotemporal developmental trajectories in the Arabidopsis root revealed using High-throughput single-cell RNA sequencing.

2019.03.25, DOI：10.1016/j.devcel.2019.02.022

研究文章；拟南芥，根，静态中心细胞，基因时空表达模式，基因调控网络，发育，scRNA-seq；Tom Denyer，Xiaoli Ma，Marja C.P. Timmermans；University of Tübingen；Germany.

Time-lapse和scRNA-seq揭示拟南芥离体叶片再生根过程

Plant Communications [IF: 8.625]

① 基于time-lapse RNA-seq和scRNA-seq技术，使用已经建立的拟南芥叶片再生不定根系统，分别对离体后不同时间点的全叶和叶片受损区域取不同时间点进行RNA-seq，并对离体4 d后的叶片受损区域进行scRNA-seq，表征了根从头再生（de novo root regeneration，DNRR）中的高分辨率转录组框架，并揭示了拟南芥离体叶片中DNRR发生的关键因素。

② 对离体后0~12 h（0、10 min、30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h）的全叶外植体进行time-lapse RNA-seq分析，发现早期伤口信号反应基因在叶片分离前很少参与正常的叶片发育，并在离体后被激活用于再生，如茉莉酸（jasmonate，JA）、乙烯和活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）通路中的基因在叶片分离后立即被激活。

③ 对离体后0~5 d（0、6 h、12 h、1 d、2 d、3 d、4 d、5 d）的叶片受损区域进行time-lapse RNA-seq分析，发现在DNRR期间，叶片外植体的受伤区域激活了参与器官发生、损伤诱导再生和插条资源分配的多个基因；结合GO分析，证实了生长素是DNRR过程的主要调节因子。

④ 应用scRNA-seq分析离体4 d后的叶片受损区域，捕获了7,225个细胞，聚类到了19个细胞簇，揭示了有关原始叶外植体受伤区域组织中的基因表达模式，以及参与不定根器官发生的细胞。（寒鹤）

拟南芥全叶外植体RNA-seq分析示意图

Transcriptional landscapes of de novo root regeneration from detached Arabidopsis leaves revealed by time-lapse and single-cell RNA sequencing analyses.

2022.02.25, DOI：10.1016/j.xplc.2022.100306

研究文章；拟南芥，叶片，从头再生根，time-laspe RNA-seq，scRNA-seq，伤口信号；Wu Liu, Yuyun Zhang, Xing Fang, Sorrel Tran, Ning Zha, Yijing Zhang, Li Yang, Lin Xu；中国科学院分子植物科学卓越创新中心，中国科学院大学，University of Georgia；中国，USA.

叶片

Leafs

大白菜的scRNA-seq数据揭示腹面和背面叶肉细胞的分化

Plant Biotechnology Journal [IF:13.263]

① 结合改良的tape-sandwich方法和RNA原位杂交对白菜叶片进行单细胞测序，区分了叶片栅栏组织和海绵组织，并鉴定了它们在单细胞水平的差异，揭示了腹面叶肉细胞和背面叶肉细胞的分化，这是大白菜叶球形成机制研究的一个重要进展。

② 对莲座期大白菜的幼叶进行scRNA-seq，共获得16,055个细胞，30,124个基因；聚类分析将所有细胞分为17个细胞簇，并注释为8种细胞类型：叶肉细胞、表皮细胞、维管细胞、维管束鞘、保卫细胞、增殖细胞、韧皮部和木质部。

③ 进一步采用改良的tape-sandwich方法分离了叶片栅栏组织和海绵组织，通过转录组分析和原位杂交，发现并验证了一批新的标记基因，从而将腹面的栅栏细胞和背面的海绵细胞在单细胞水平上区分开来。

④ 栅栏细胞主要参与光合作用，而海绵细胞主要响应外部环境刺激；栅栏细胞富含大量核糖体蛋白编码基因，其中部分同源基因在拟南芥中已被证明参与了叶片背腹极性的建成。（寒鹤）

大白菜叶片的scRNA-seq分析流程

Single-cell transcriptome reveals differentiation between adaxial and abaxial mesophyll cells in Brassica rapa.

2022.09.16, DOI：10.1111/pbi.13919

研究文章；大白菜，叶片，叶肉细胞，腹面叶肉细胞，背面叶肉细胞，scRNA-seq；Xinlei Guo，Jian Wu，Xiaowu Wang；中国农业科学院蔬菜花卉研究所；中国单细胞测序技术揭示茶树叶片的发育轨迹和一种新的茶香物质代谢酶Plant Biotechnology Journal [IF：13.263]

① 用改进的方法快速分离茶树叶片原生质体，获得第1、3叶共16,977个单细胞的scRNA-seq数据，切片镜检6种叶片组织辅助聚类分析，并结合同源基因策略和拟南芥数据以及q-RT-PCR进行标记基因验证，最终鉴定出16种细胞类型，构建了第一个木本茶树叶片发育的单细胞图谱。

② 绘制茶树叶片发育轨迹图谱，包括4个发育分支点，并将所有细胞划分为9种状态；利用BEAM标注4个分支点表达量显著波动的基因，发现8个与细胞命运决定相关的基因，主要参与角质蛋白生物合成、植物表皮形态发生、蜡和软木脂生物合成等。

③ 参与黄酮类、咖啡因和茶氨酸生物合成的基因在第1、3叶中的基因表达表现出细胞类型特异性，且发现叶片发育过程中，木质素生物合成相关基因在不同细胞类型中的表达具有时空特异性。

④ 通过叶肉细胞的基因共表达网络，发现了一种新的酯型儿茶素糖基转移酶UGT72B23；利用基因瞬时表达技术、基因沉默技术和质谱分析等验证酶活性及催化产物，并绘制了单细胞水平下该酶介导的时空特异性的儿茶素酯葡萄糖苷合成途径模型。（Yuki）

茶树叶片scRNA-seq的分析流程图

Single-cell transcriptome atlas reveals developmental trajectories and a novel metabolic pathway of catechin esters in tea leaves.

2022.07.26，DOI: 10.1111/pbi.13891

研究文章；茶树，叶片，儿茶素酯，糖基转移酶，次生代谢物，发育，scRNA-seq；Qiang Wang, Yi Wu, Wilfried Schwab, Chuankui Song；安徽农业大学茶叶化学与健康国际合作联合实验室, Technische Universität München; 中国, Germany.

花序

Flowers

兰花花发育过程中器官发生的时空图谱

Nucleic Acids Research [IF：19.160]

① 横跨蝴蝶兰（Phalaenopsis Big Chili）花序的多个发育阶段（初始发生、确定组织、后形态发生）进行样本采集和时空转录组测序分析，鉴定到14,328个基因的空间表达分布，其中有3,817个基因特异的或优先的在一个或多个组织中表达，从而识别出早期花发育的细胞类型包括花序分生组织，花器官原基和确定组织。

② 花器官基部的分生组织细胞在器官起始后的多个发育阶段持续发挥功能，特别是花药的发育过程中；原基从一个点开始到后期的多个分化细胞类型，包括花粉块和其它营养组织，是由MADS-box基因和多个下游调控因子调控的。

③ 花被片的发育是形态发生的一个开始，花被片组织中优先表达的基因富集在光反应或线粒体电信号转导，说明这部分细胞的光合作用非常活跃；在分生组织中优先表达的基因主要富集在蛋白合成，激素代谢，氧化还原和刺激相应等相关的过程中。

④ 花药的早期营养组织经常共享基因表达，而不是表现出特异的基因表达，在发育后期快速经历了分化和形态发生过程。

⑤ 115个bHLH（basic/helix-loop-helix）基因中的49个在蝴蝶兰分生组织、营养组织和再生组织的不同发育阶段都有表达；25个MYB基因在3个时空数据集中都有鉴定到，其中PAXXG071610在早期、晚期的分生组织、花被片和唇瓣中均优先表达，PAXXG290370在蓓蕾的早期分生组织和晚期花被片中富集。（陈海霞）

蝴蝶兰样本处理和空间转录组测序示意图

A spatiotemporal atlas of organogenesis in the development of orchid flowers.

2022.09.12, DOI: 10.1093/nar/gkac773

研究文章；兰花，花序，花被片，花药，器官发生，发育；空间转录组；Chang Liu, Chunce Guo, Ji Qi; 复旦大学，江西农业大学；中国

基于snRNA-seq数据进行空间重构的拟南芥花分生组织3D基因表达图谱

Nature Communications [IF: 17.694]

① 描述了一种snRNA-seq数据的空间重构方法——novoSpaRc，通过整合snRNA-seq和3D重构的花分生组织，生成了拟南芥花分生组织的3D单细胞转录组图谱（http://threed-flower-meristem.herokuapp.com）；基于该图谱，发现拟南芥花分生组织不同结构域的表达差异决定了不同的组织和器官类型，且可追溯到花分生组织不同区域的最早阶段，证明了空间重构的单细胞转录组图谱有利于了解植物形态发生。

② 选择DEX诱导后的第4天 (stage 5) 的样本进行snRNA-seq分析，共得到7,761个单核转录组数据，聚类为12种细胞类型；使用novoSpaRc将snRNA-seq数据比对到已发表的拟南芥花分生组织的空间表达图谱（28个基因），在花分生组织中鉴定到15个表达（结构）域（expression domains），其中7个是已发表的。

③ 选择花形态与stage 5基本完全一致的DEX诱导后3 d的样本进行snRNA-seq分析，共得到9,792个单核转录组数据，聚类为11个细胞群；同样使用上述novoSpaRc方法与参考基因进行比对，得到的基因表达结构域与stage 5的基本一致，只在花萼原基部分有一些不同。

④ 计算每个结构域在每个时间点的平均表达水平，发现一些表达域的基因在成熟花器官中特异性高表达，这表明一些在成熟花器官中活跃的基因程序在花分生组织发育的早期阶段开始激活。

⑤ 萼片特异性的由APETALA1 (AP1)转录因子激活，花瓣由AP1和APETALA3 (AP3)激活，雄蕊由AP3和AGAMOUS (AG)激活，心皮由AG激活；鉴定到APETELA2 (AP2)也在萼片区域与AP1一起特异性表达，PETAL LOSS (PTL)基因在AP1和AP1-AP3区域表达。

拟南芥花分生组织中代表性基因的重建表达模式实例

A 3D gene expression atlas of the floral meristem based on spatial reconstruction of single nucleus RNA sequencing data.

2022.05.20, DOI: 10.1038/s41467-022-30177-y

研究文章；拟南芥，花，花分生组织，snRNA-seq，novoSpaRc，3D重构；Manuel Neumann, Xiaocai Xu, Jose M. Muino; Humboldt-Universität zu Berlin, Institute of Biology; Germany.

果实

Fruits

番茄果实发育和成熟的高分辨率时空转录组图谱

Nature Communications [IF: 12.353]

① 使用激光显微切割（laser microdissection，LM）或手部解剖结合RNA-Seq分析，对跨越10个发育阶段的番茄果实进行时空解析的转录组分析，绘制了一个全面的番茄果实转录组图谱，在细胞或组织类型分辨率水平上整合了全局性基因表达和共表达数据，包括各个发育阶段（包括果实的早期生长和成熟）的5种果皮细胞/组织类型、整个果皮和5种果实内部组织，为果实发育和成熟提供了新的分子见解。

② 在发育过程中的某个时刻，共检测到20,732个基因，其中在LM衍生的样本中检测到的1,238个基因在总果皮样本中没有检测到，强调了细胞类型特异性谱在激发功能研究方面具有相当大的潜在价值。

③ 成熟程序包含基因表达的梯度，在“破色期”（breaker）阶段之前就开始于内部组织，然后向外辐射，并基本沿着一个维度轴辐射。

④ M6中成熟调控因子启动子的去甲基化，可能是组织依赖性调控其在果实成熟过程中的时空表达模式，并揭示了不同组织间启动子甲基化水平的差异导致了关键成熟调控因子的表达和现象（如质地、颜色、香气和代谢物特征）的时空差异。（毛学彬）。

番茄果实发育过程中的组织/细胞转录谱分析

High-resolution spatiotemporal transcriptome mapping of tomato fruit development and ripening.

2018.01.25, DOI: 10.1038/s41467-017-02782-9

研究文章；番茄，果实，果皮，发育，成熟，激光显微切割，RNA-seq；Yoshihito Shinozaki, Philippe Nicolas, Noe Fernandez-Pozo, Jocelyn K.C. Rose；Cornell University, Boyce Thompson Institute, USA.