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植物單細胞研究方法分享之擬南芥側根發育及分化

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植物單細胞研究方法分享之擬南芥側根發育及分化

發布日期:2021-12-29 作者:程偉 點擊:

植物單細胞研究目前還在初期階段,雖然已經有一些文章有報道,但是大多還只是擬南芥、水稻或者玉米這樣的模式生物上,研究內容及方法也沒有特別多,如何能將模式物種的單細胞研究方法有效“移植”到非模式生物上,并且能夠的用于應用研究也是植物單細胞的Z終發展趨勢,筆者會盡量多總結,多分享其他植物單細胞研究者的科研思路。

今天我們要分享的是擬南芥側根的發育及分化過程,作者從單細胞轉錄組的手段入手,提出了擬南芥側根發育分化軌跡及側根形成模型。

image.png

Reconstruction of lateral root formation through single-cell RNA sequencing reveals order of tissue initiation


研究摘要

胚后器官發生對植物發育至關重要。地下側根(LRs)形成了大部分的成熟根系,但LRP原基(LRP)的個體發生尚不清楚。在本研究中,作者對擬南芥LR形成的前四個階段進行了單細胞RNA測序。分析得出了一個模型,在該模型中,一組具有不同于中柱鞘起源的細胞身份的前體細胞快速重組并分裂成混合基質組織/干細胞生態位命運和血管前體細胞命運。底層組織和干細胞的生態位很快分離,一部分更特化的維管細胞形成蔗糖運輸韌皮部細胞,似乎連接到初生根。作者沒有發現類似表皮或根冠的細胞,這表明外層組織可能形成較晚,在LR出現之前。在這個階段,一些剩余的原始細胞形成了原基側翼,而其余的形成了一個多能細胞庫,如果LR受損,這些多能細胞能夠取代LR。激光消融中心和外側LRP區域顯示,剩余的細胞重新啟動組織開始形成LR的序列??偟膩碚f,作者的研究揭示了LR形成的本體論層次,主要根組織和干細胞的早期和順序分化。


研究方法

smart-seq2


研究材料

根原生質體制備后,用流式細胞儀分選細胞,Z終獲得573個細胞,覆蓋了LRP的I期到IV期的細胞類型。


文章亮點

本文的實驗安排不算很復雜,但是文章通過單細胞轉錄組數據獲得LRP的I期到IV期的所有細胞類型的轉錄本,同時鑒定了不同時期中的細胞類型的分群情況,由marker基因表達定位實驗確認了分群后的細胞類型,而擬時序分析推測了LRP分化時細胞類群分化情況,結合marker基因表達定位實驗,確認了LRP分化發育的分化特征。


文章思路

image.png


研究結果

1、細胞分群注釋結果

image.png

圖:對獲得的單細胞轉錄組結果進行無監督模式分群,Z終分為7個細胞群,不同的細胞群參與不同的細胞功能


image.png

圖:通過將不同的細胞群的轉錄本數據與已報道的側根的轉錄組數據進行對比,以及marker基因表達實驗結合進行分群注釋,將得到的7個細胞類群注釋到了對應的細胞。


2、LRP胚后發育模型推測

image.png

圖:根據擬時序分析及對應的marker基因不同時間的表達情況結合,推測出了LRP的胚后發育軌跡模型。


研究結論

該篇研究已經確定了在LR器官發生的早期階段形成的7個細胞群(7個細胞群分別是Protophloem-like cell、Endodermis/QC transitioning cell、Vascular-like 1 cell、Vascular-like 2 cell、Primordial cell、Flanking cell以及QC transitioning cell)。其中五個構成了完全新的細胞類型,而QC-transition細胞代表LR QC的前體狀態,而原始細胞可能對應于I階段的創建細胞子細胞。作者還確定了其中6個細胞群在LRP中的空間定位和它們形成的時間順序,這是分級和保守的——在這個模型中,群體在層中的空間組織將由前驅群體的位置決定。內層的維管細胞和外層的內皮層細胞/QC過渡態干細胞在II期和III期由原基細胞分化而來,兩側未分裂或緩慢分裂的細胞仍將是原基細胞,而其中一些細胞將在第四階段分化為側翼細胞,Z終建立LRP的生長邊界。中心區域的一些內皮層/QC過渡態干細胞會在第四階段形成QC-過渡態細胞,隨后生成QC,可能還有其他的SCN細胞。其余的內皮層/ QC過渡態干細胞將建立基礎組織譜系。

在維管發育分支上,維管類細胞1在III期形成維管類細胞2,在IV期時,這些細胞有一些將分化成原生韌皮部類細胞,原韌皮部的細胞可能是與初生根韌皮部組織相鄰的細胞,這預示著維管系統的連接,并表明來自初生根組織的信號可能會誘導它們的特化。

本文中,作者沒有發現任何與表皮或側根冠細胞有親和力的細胞群,表明這些細胞可能是在發育后期形成的,根據它們的定位或其他未確定的細胞推測可能從QC過渡細胞分化而來。

END



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本文網址:http://www.oyuncash.com/news/629.html

關鍵詞:植物單細胞,scRNA-seq,smart-seq2

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