4月6日，Nature Communications在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(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)揭示了水稻根單細胞異質(zhì)性（heterogeneity），描繪了水稻根表皮細胞（epidermal cell）和基本組織（ground tissue）細胞的分化軌跡，明確了在根尖干細胞分化過程中基因表達與基因染色質(zhì)可及性（Chromatin accessibility）的相關性，并闡明了單子葉植物水稻和雙子葉植物擬南芥在根尖細胞類型上的進化保守性。

 

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

 

　　實驗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胞圖譜（Zhang et al., Molecular Plant, 2019）。為了進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技術應用到水稻根的研究。scRNA-seq實驗捕獲了27469個高質(zhì)量單細胞轉錄組數(shù)據(jù)。通過聚類分析，將這些細胞注釋為21個不同的細胞類群（cluster），分別對應水稻根表皮、外皮層、厚壁組織、皮層、內(nèi)皮層、中柱鞘、分生組織、維管組織等細胞類群。通過原位雜交和構建報告基因，發(fā)現(xiàn)并驗證了一系列全新的細胞類型標記基因。進一步通過重排過渡態(tài)細胞和擬時間分析，描繪了表皮分生組織細胞通過分裂和分化形成成毛體細胞（trichoblasts）或非成毛體細胞（atrichoblasts）的發(fā)育過程，闡明了基本分生組織祖細胞（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)與其基因表達模式呈現(xiàn)時空關聯(lián)性。通過結合反向遺傳學實驗，發(fā)現(xiàn)水稻根分生組織類群特異表達的轉錄因子OsGATA6參與了水稻根基本組織和維管束組織的發(fā)育過程，提示單細胞測序技術可以有效提升作物反向遺傳學的成功效率。

 

　　研究通過與擬南芥根單細胞轉錄組數(shù)據(jù)集的整合分析，發(fā)現(xiàn)二者細胞類型在進化上保守性較低。僅在根毛、木質(zhì)部、韌皮部等細胞類型中存在較高相似性。進一步深入比較和分析這些保守細胞類型，挖掘出一些潛在的核心細胞類型調(diào)控基因。這些研究成果幫助我們繪制了水稻根的單細胞圖譜，為今后解析水稻根發(fā)育的精細過程和分子機制，人工定制根系以及提高營養(yǎng)吸收能力奠定了良好的基礎。

 

　　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?、王佳偉為論文共同通訊作者。分子植物卓越?chuàng)新中心博士研究生陳瑜，南京農(nóng)業(yè)大學講師劉曄、上海交通大學教授林文慧參與研究。研究工作得到國家自然科學基金委基礎科學中心項目、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、中國科協(xié)青年人才托舉工程和中國博士后創(chuàng)新人才支持計劃等的資助。

 

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