2024年4月，北京大學現(xiàn)代農業(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胞類型和復雜的調控機制，以適應自然界不斷變化的環(huán)境。為了研究細胞類型及其發(fā)育過程，已經采用了包括單細胞測序方法在內的各種策略，這些方法提供了高維度的數(shù)據(jù)目錄以解決生物學問題。近年來，轉錄組學、表觀基因組學、蛋白質組學、代謝組學和空間轉錄組學等單細胞測序技術已經在植物科學中得到了越來越廣泛的應用，以揭示單細胞層面的復雜生物關系。然而，由于植物細胞結構的特性所帶來的挑戰(zhàn)，單細胞技術在植物領域的應用受到了更多的限制。本綜述文章概述了單細胞組學技術的最新進展，這些技術在植物系統(tǒng)中的意義和未來的研究應用前景，以及植物系統(tǒng)中單細胞組學所面臨的挑戰(zhàn)。
KEYWORDS
多組學；單細胞轉錄組學；空間轉錄組學；單細胞表觀基因組學；單細胞蛋白質組學
單細胞多組學技術在植物研究中的應用及優(yōu)勢
該綜述文章詳細介紹了植物單細胞分離技術，包括微吸（Micro-pipetting）、光鑷（Optical tweezers）、微流控（Microfluidics）、單細胞微孔板（microwell）、分裂池（split-pool）、激光捕獲顯微切割（LCM）、流式細胞熒光分選技術（FACS）。特別強調了單細胞微流控分離技術在獲取高通量異質性細胞類群方面的應用。此外，也對原生質體測序和單細胞核測序在植物中的應用優(yōu)勢進行了比較。原生質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體，并且酶解過程可能影響細胞基因表達等信息。相比之下，細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，且能夠實時捕獲基因表達信息，但捕獲基因數(shù)相對較低，且無法獲取細胞質中的轉錄本信息等缺陷。另外，該文還全面闡述了單細胞轉錄組測序、單細胞表觀組、單細胞蛋白質組、單細胞代謝組和空間轉錄組等技術在植物基因表達、細胞命運決定和發(fā)育進程研究中的應用實例。
圖1-植物多組學研究流程圖，單細胞轉錄組測序、單細胞ATAC測序(可轉座酶可及染色質測序)、空間轉錄組及空間代謝組在獲得特定類群細胞或組織基因表達及代謝信息的應用。
單細胞多組學技術在植物研究中的前景與挑戰(zhàn)
該綜述文章概述了單細胞組學和空間轉錄組學在植物研究中的廣泛應用前景。其中包含發(fā)現(xiàn)新的細胞類型、尋找植物育種分子標記，揭示應激響應基因和其調控網絡。單細胞技術與多組學技術的融合為植物細胞生物學研究提供了更加全面和深入的視角。這有望為提高作物產量和解決可持續(xù)農業(yè)面臨的關鍵問題提供新的思路。同時，文章指出了植物空間生物學目前面臨的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括組織切片轉移、細胞邊界識別以及含水量高的薄壁細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(HPF)和使用甲醛固定石蠟包埋組織標本(FFPE)等潛在解決方案。最后，文章強調了這些先進技術對于深化我們對植物發(fā)育、生長和應激適應機制的理解，以及推動植物研究和農業(yè)進步的重要作用。單細胞技術的不斷發(fā)展和應用將為植物科學領域帶來更多的機遇和突破。
圖2-單細胞多組學技術在植物研究領域中的應用，包含單細胞水平基因表達、蛋白豐度、代謝產物水平和植物中的表觀遺傳修飾等。
在這篇文章中，李博生團隊和葉文秀團隊深入探討了單細胞組學技術在植物研究中的應用。隨著單細胞測序技術的飛速發(fā)展，研究人員能夠以前所未有的精度分析復雜多細胞組織中單個細胞或一類細胞的分子和功能異質性。這一技術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)育和響應環(huán)境變化的機制。
文中同樣也提到了BNKMANU?S1000等空間組學技術在植物研究中的價值，能使研究人員能夠深入了解復雜生物系統(tǒng)中不同細胞類型的轉錄網絡。通過分析細胞與其環(huán)境之間的相互作用，空間組學能夠發(fā)現(xiàn)新的細胞亞型、確定細胞譜系關系以及識別整個組織和器官內的細胞演變過程【2】。
參考文獻：
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.
- 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
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