2024年4月，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院李博生團隊和葉文秀團隊在《Genomics, Proteomics, and Bioinformatics》（IF=9.5）雜志上發(fā)表了一篇綜述文章，題為《Opportunities and challenges in advancing plant research with single-cell omics》。

Abstract

植物擁有多樣化的細(xì)胞類型和復(fù)雜的調(diào)控機制，以適應(yīng)自然界不斷變化的環(huán)境。為了研究細(xì)胞類型及其發(fā)育過程，已經(jīng)采用了包括單細(xì)胞測序方法在內(nèi)的各種策略，這些方法提供了高維度的數(shù)據(jù)目錄以解決生物學(xué)問題。近年來，轉(zhuǎn)錄組學(xué)、表觀基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)等單細(xì)胞測序技術(shù)已經(jīng)在植物科學(xué)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，以揭示單細(xì)胞層面的復(fù)雜生物關(guān)系。然而，由于植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的特性所帶來的挑戰(zhàn)，單細(xì)胞技術(shù)在植物領(lǐng)域的應(yīng)用受到了更多的限制。本綜述文章概述了單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)的最新進(jìn)展，這些技術(shù)在植物系統(tǒng)中的意義和未來的研究應(yīng)用前景，以及植物系統(tǒng)中單細(xì)胞組學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)。

KEYWORDS

多組學(xué)；單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)；空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)；單細(xì)胞表觀基因組學(xué)；單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)

單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)在植物研究中的應(yīng)用及優(yōu)勢

該綜述文章詳細(xì)介紹了植物單細(xì)胞分離技術(shù)，包括微吸（Micro-pipetting）、光鑷（Optical tweezers）、微流控（Microfluidics）、單細(xì)胞微孔板（microwell）、分裂池（split-pool）、激光捕獲顯微切割（LCM）、流式細(xì)胞熒光分選技術(shù)（FACS）。特別強調(diào)了單細(xì)胞微流控分離技術(shù)在獲取高通量異質(zhì)性細(xì)胞類群方面的應(yīng)用。此外，也對原生質(zhì)體測序和單細(xì)胞核測序在植物中的應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行了比較。原生質(zhì)體測序能夠獲取更多的基因中位數(shù)，但需要酶解分離，對不易酶解的樣本難以獲取原生質(zhì)體，并且酶解過程可能影響細(xì)胞基因表達(dá)等信息。相比之下，細(xì)胞核測序不依賴酶解過程，特別適用于不易酶解的植物樣本，且能夠?qū)崟r捕獲基因表達(dá)信息，但捕獲基因數(shù)相對較低，且無法獲取細(xì)胞質(zhì)中的轉(zhuǎn)錄本信息等缺陷。另外，該文還全面闡述了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序、單細(xì)胞表觀組、單細(xì)胞蛋白質(zhì)組、單細(xì)胞代謝組和空間轉(zhuǎn)錄組等技術(shù)在植物基因表達(dá)、細(xì)胞命運決定和發(fā)育進(jìn)程研究中的應(yīng)用實例。

單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)在植物研究中的前景與挑戰(zhàn)

該綜述文章概述了單細(xì)胞組學(xué)和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)在植物研究中的廣泛應(yīng)用前景。其中包含發(fā)現(xiàn)新的細(xì)胞類型、尋找植物育種分子標(biāo)記，揭示應(yīng)激響應(yīng)基因和其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。單細(xì)胞技術(shù)與多組學(xué)技術(shù)的融合為植物細(xì)胞生物學(xué)研究提供了更加全面和深入的視角。這有望為提高作物產(chǎn)量和解決可持續(xù)農(nóng)業(yè)面臨的關(guān)鍵問題提供新的思路。同時，文章指出了植物空間生物學(xué)目前面臨的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括組織切片轉(zhuǎn)移、細(xì)胞邊界識別以及含水量高的薄壁細(xì)胞組織冷凍切片容易破碎等問題。文章還提出了高壓冷凍技術(shù)(HPF)和使用甲醛固定石蠟包埋組織標(biāo)本(FFPE)等潛在解決方案。最后，文章強調(diào)了這些先進(jìn)技術(shù)對于深化我們對植物發(fā)育、生長和應(yīng)激適應(yīng)機制的理解，以及推動植物研究和農(nóng)業(yè)進(jìn)步的重要作用。單細(xì)胞技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用將為植物科學(xué)領(lǐng)域帶來更多的機遇和突破。

在這篇文章中，李博生團隊和葉文秀團隊深入探討了單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)在植物研究中的應(yīng)用。隨著單細(xì)胞測序技術(shù)的飛速發(fā)展，研究人員能夠以前所未有的精度分析復(fù)雜多細(xì)胞組織中單個細(xì)胞或一類細(xì)胞的分子和功能異質(zhì)性。這一技術(shù)的突破為植物研究開辟了新的天地，使得研究人員能夠更深入地理解植物的生長、發(fā)育和響應(yīng)環(huán)境變化的機制。

文中同樣也提到了BNKMANU?S1000等空間組學(xué)技術(shù)在植物研究中的價值，能使研究人員能夠深入了解復(fù)雜生物系統(tǒng)中不同細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)。通過分析細(xì)胞與其環(huán)境之間的相互作用，空間組學(xué)能夠發(fā)現(xiàn)新的細(xì)胞亞型、確定細(xì)胞譜系關(guān)系以及識別整個組織和器官內(nèi)的細(xì)胞演變過程【2】。

參考文獻(xiàn)：

1.Rhaman,M.S.,Ali,M.,Ye,W.and Li,B.,2024.Opportunities and Challenges in Advancing Plant Researchwith Single-cell Omics.Genomics,Proteomics &Bioinformatics,p.qzae026.

2. Song X, Guo P, Xia K, Wang M, Liu Y, Chen L, Zhang J, Xu M, Liu N, Yue Z, Xu X, Gu Y, Li G, Liu M, Fang L, Deng XW, Li B. Spatial transcriptomics reveals light-induced chlorenchyma cells involved in promoting shoot regeneration in tomato callus.?Proc Natl Acad Sci U S A. 2023;120(38):e2310163120. doi:10.1073/pnas.2310163120.

文章來源于BAP?BioArt植物