近日，山東省農業科學院花生栽培與生理生態創新團隊與青島華大基因研究院合作在中科院一區Top期刊Plant Biotechnology Journal（IF=13.263，Q1）在線發表了題為“Spatial transcriptome analysis on peanut tissues shed light on cell heterogeneity of the peg”（https://doi.org/10.1111/pbi.13884）的研究論文。山東省農業科學院與青島華大共同開發了適用于花生等非模式植物的高分辨空間轉錄組制備技術，使用華大自主研發的500 nm微球陣列芯片，完成了對花生不同組織/細胞中的基因表達空間信息檢測，首次繪制了非模式植物空間基因表達圖譜，為植物微觀結構和基因功能研究架起了新的橋梁，為植物發育和作物育種等研究提供了新的方法。
近年來，單細胞測序技術取得快速發展，但其在植物領域的應用仍面臨諸多挑戰：部分植物組織分化程度較高，導致制備原生質體困難；原生質體制備過程中，無法保留細胞或組織即時的轉錄狀態，不適用于經外界條件處理（如病原菌侵染、溫度變化等）的組織樣本；忽略了細胞在空間位置上的異質性，無法獲取細胞空間位置信息，只能借助已知關鍵Maker基因，對細胞的位置進行推測。而最新發展的空間轉錄組（時空組）技術能夠有效彌補單細胞測序技術的不足，既能實現在時間維度上解析細胞的發育分化軌跡，又能實現在空間維度上解讀每個細胞的基因表達特征。空間轉錄組技術因其強大的高通量基因表達原位表征能力，在生命科學研究中呈現出廣泛的應用潛力。
本研究首先改進了植物樣品制備方法，創建了“兩步法”透化處理技術，極大地提高了植物mRNA的捕獲效率。對于分化程度較高的下胚軸皮層組織，其單個細胞區域的平均基因捕獲數量仍舊達到了1449個。此外，本研究所使用的植物材料在取材后數秒內即完成冷凍固定，最大程度維持樣品中即時轉錄狀態。在此基礎上，本研究進一步利用該技術對花生4種組織進行比較分析，揭示了花生果針這一特殊組織的細胞異質性。花生具有地上開花、地下結果的生物特性。在受精后，花生雌蕊發育成果針并向地生長，入土后在地下發育成果實。果針是花生特有的組織，其與莖具有相似的解剖學特征，而生理功能上卻與根相近。本研究將花生果針與莖、根、胚軸等具有類似結構的組織進行了空間轉錄組比較分析，解析了花生果針包含的不同細胞類群以及每個細胞類群的空間位置信息，明確了不同組織含有的細胞類型。研究發現，果針中僅在維管束區域（韌皮部和木質部）的細胞類型與根和莖中的維管束區域相似，果針表皮、皮層和髓等部位的細胞類型與莖和根中均不相同，說明果針是一種與莖和根均有較大差異的組織。進一步對果針中每個細胞類群的基因表達特征分析發現，果針尖端和中后部的表皮（外皮層）細胞被聚類為2個不同的簇（cluster）。功能分析顯示，參與糖苷和皂苷合成的基因在果針尖端的表皮中富集，用以保護果針尖端的胚珠不受地下害蟲的侵害；而感知環境信號的基因在果針中后部表皮中富集，賦予其能夠感知土壤刺激并在地下啟動胚胎和果實發育的生物學特性。
山東省農業科學院劉譯陽和青島華大基因研究院李春華為該論文的共同第一作者，我院萬書波研究員、李國衛研究員及徐國鑫博士為該論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、泰山學者工程、山東省科技計劃項目等經費支持。
日期：2022-07-13
近年來，單細胞測序技術取得快速發展，但其在植物領域的應用仍面臨諸多挑戰：部分植物組織分化程度較高，導致制備原生質體困難；原生質體制備過程中，無法保留細胞或組織即時的轉錄狀態，不適用于經外界條件處理（如病原菌侵染、溫度變化等）的組織樣本；忽略了細胞在空間位置上的異質性，無法獲取細胞空間位置信息，只能借助已知關鍵Maker基因，對細胞的位置進行推測。而最新發展的空間轉錄組（時空組）技術能夠有效彌補單細胞測序技術的不足，既能實現在時間維度上解析細胞的發育分化軌跡，又能實現在空間維度上解讀每個細胞的基因表達特征。空間轉錄組技術因其強大的高通量基因表達原位表征能力，在生命科學研究中呈現出廣泛的應用潛力。
本研究首先改進了植物樣品制備方法，創建了“兩步法”透化處理技術，極大地提高了植物mRNA的捕獲效率。對于分化程度較高的下胚軸皮層組織，其單個細胞區域的平均基因捕獲數量仍舊達到了1449個。此外，本研究所使用的植物材料在取材后數秒內即完成冷凍固定，最大程度維持樣品中即時轉錄狀態。在此基礎上，本研究進一步利用該技術對花生4種組織進行比較分析，揭示了花生果針這一特殊組織的細胞異質性。花生具有地上開花、地下結果的生物特性。在受精后，花生雌蕊發育成果針并向地生長，入土后在地下發育成果實。果針是花生特有的組織，其與莖具有相似的解剖學特征，而生理功能上卻與根相近。本研究將花生果針與莖、根、胚軸等具有類似結構的組織進行了空間轉錄組比較分析，解析了花生果針包含的不同細胞類群以及每個細胞類群的空間位置信息，明確了不同組織含有的細胞類型。研究發現，果針中僅在維管束區域（韌皮部和木質部）的細胞類型與根和莖中的維管束區域相似，果針表皮、皮層和髓等部位的細胞類型與莖和根中均不相同，說明果針是一種與莖和根均有較大差異的組織。進一步對果針中每個細胞類群的基因表達特征分析發現，果針尖端和中后部的表皮（外皮層）細胞被聚類為2個不同的簇（cluster）。功能分析顯示，參與糖苷和皂苷合成的基因在果針尖端的表皮中富集，用以保護果針尖端的胚珠不受地下害蟲的侵害；而感知環境信號的基因在果針中后部表皮中富集，賦予其能夠感知土壤刺激并在地下啟動胚胎和果實發育的生物學特性。
山東省農業科學院劉譯陽和青島華大基因研究院李春華為該論文的共同第一作者，我院萬書波研究員、李國衛研究員及徐國鑫博士為該論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、泰山學者工程、山東省科技計劃項目等經費支持。
日期：2022-07-13
