Encellig transkriptomsekvensering avslöjar linjebanor av Arabidopsis-stomi och blad

Encellssekvensering (encellssekvensering) har nu blivit en av de hetaste teknologierna. Encellig RNA-sekvensering (scRNA-Seq) är av stor betydelse för att observera enstaka celler i flera dimensioner, avslöja cellulär heterogenitet och funktion och studera de evolutionära vägarna för cellinjer under utveckling.

Under de senaste åren, inom växtvetenskap, har kinesiska forskare gjort viktiga framsteg inom scRNA-Seq, såsom Wang Jiawei från Center of Excellence for Molecular Plants vid den kinesiska vetenskapsakademin [1,2], Sun Mengxiang i Wuhan University [3], och Sun Xuwu från Henan University [4] och andra forskargrupper Alla har publicerat högnivåartiklar relaterade till scRNA-Seq, som visar den stora potentialen hos denna framväxande teknologi inom växtforskning.

Stomata är små porer som produceras av växtblads epidermala celler genom asymmetrisk delning. Under denna process skapas två celltyper, trottoarceller och vaktceller [5]. Vaktceller är involverade i att reglera växttranspiration. och gasutbyte med omgivningen [6]. Men de molekylära mekanismerna som ligger bakom cellulär funktionell flexibilitet under utveckling av stomatala linjer och hur cellöden i bladen bestäms är för närvarande okända.

Nyligen publicerade forskargruppen av professor Dominique C. Bergmann vid Stanford University en forskningsartikel med titeln Single-cell resolution of lineage trajectories in the Arabidopsis stomatal lineage and developing leaf in Developmental Cell, med användning av scRNA-Seq-teknologi kombinerad med molekylär genetik och andra metoder En dynamisk modell av differentieringen av olika typer av celler i Arabidopsis bladvävnad löstes.

Med tanke på att de tidigare publicerade blad scRNA-seq data huvudsakligen är mesofyllceller, använde forskarna Arabidopsis meristem layer ATML1 (MERISTEM LAYER 1) promotor för att driva reportergenen, kombinerat med fluorescensaktiverad cellsortering (FACS) och mikrofluidikerna av 10X Genomics-plattformen för att få en mer omfattande och balanserad celltyp i bladen för efterföljande analys.

Vidare, med hjälp av gener specifikt uttryckta i olika celltyper, definierade vi kluster av vaskulära, mesofyll- och epidermala celler, och genom jämförande analys av cellidentiteter och banor, avslöjade de specifika genetiska programmen för dessa celltyper och bladavstånd/närhet. Axiella planets polära egenskaper. För att ytterligare utforska differentieringsmönstren för stomatala celllinjer använde forskarna promotorn för stomatalutvecklingsgenen TMM (TOO MANY MOUTHS) för att driva en reportergen och erhöll en stomatallinjespecifik scRNA-seq-datauppsättning i epidermala celler.

Genom att analysera 13,000 XNUMX celler av stomatal härstamning, identifierade forskarna differentieringsbanor som tenderade att antingen leda till stomatala öden eller öden som tidigare endast kännetecknats av cellmorfologi. Pseudotidsbanor visar att stomatal differentiering inte uppnås genom en enda väg utan genom flera vägar.

Författarna spekulerar i att valet av specifika cellöden kan orsakas av snabba, lokala eller till och med slumpmässiga händelser, snarare än en kvantitativ till kvalitativ process. Dessutom fann studien också att transkriptionsfaktorn SPEECHLESS (SPCH), som reglerar cellutveckling i det tidiga stadiet, också spelar en roll i det sena stadiet, och den samarbetar med andra transkriptionsfaktorer som MUTE och FAMA för att driva cellöde och främja differentieringen av skyddsceller.

Professor Bergmann disputerade. i Molecular Biology från University of Colorado 2000, och gick sedan in på Carnegie Institution for Science i USA för postdoktoral forskning.

För närvarande arbetar professor Bergmann vid School of Biology, Stanford University, USA, och är huvudsakligen engagerad i arbetet med asymmetrisk celldelning vid stomatal utveckling av Arabidopsis thaliana.

 

referenser: 1. Zhang TQ, Xu ZG, Shang GD, et al. En encellig RNA-sekvensering profilerar utvecklingslandskapet hos Arabidopsis-roten[J]. Molecular Plant, 2019, 12(5).2. Zhang TQ, Chen Y, Wang J W. En encellig analys av Arabidopsis vegetativa skottspets[J]. Utvecklingscell, 2021.3. Zhou X, Liu Z, Shen K, et al. Celllinjespecifik transkriptomanalys för tolkning av cellödespecifikation för proembryon [J]. Nature Communications, 2020, 11(1):1366.4. Liu Z, Zhou Y, Guo J, et al. Globala dynamiska molekylära profiler för utveckling av stomatala celler genom encellig RNA-sekvensering[J]. Molecular Plant, 2020.5. Lee LR, Wengier DL, Bergmann DC. Celltypsspecifik transkriptom- och histonmodifieringsdynamik under cellulär omprogrammering i Arabidopsis stomatala linje [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116(43):201911400.6. Am. H, Fi. W. Stomatas roll för att känna av och driva miljöförändringar[J]. Nature, 2003, 424(6951):901-908.