Trends in Plant Science | 通过比较单细胞基因组学解码特殊植物性状

自然界中的植物进化出独特的性状以适应各类非生物胁迫。如果将这些性状有效转入作物中将有助于提高农业的可持续性和增产潜力。新性状的出现通常由同源基因的差异调节产生，以应对不同时空条件的适应性。尽管它们具有潜在的农业应用价值，但在识别导致这些特殊性状出现的遗传事件的局限性一直是将它们引入作物的关键障碍。如正向遗传雪仅限于利用相关物种内部或之间的遗传差异。反向遗传学受限于转化方法和基因冗余很难同时应用于多种植物系统。揭示发育差异的遗传起源可以通过比较基因组学方法进行探索，但性状获得进化路径的不确定性以及产生高度重复序列的植物基因组阻碍了这些努力。

近日，Trends in Plant Science在线发表了“Decoding exceptional plant traits by comparative single-cell genomics”。研究人员指出新的植物性状需要经历一种或多种细胞类型的谱系改变的进化事件。过去通常是通过靶向突变来了解植物发育中细胞谱系的调控且仅限于分析单个基因。单细胞基因组学方法可以通过追踪细胞谱系中从分生细胞到完全分化细胞所有表达基因的轨迹并鉴定决定细胞类型之间转变的遗传事件。

植物单细胞转录组的分析通过从感兴趣的组织或器官中分离出原生质体或细胞核，对其中的遗传信息进行测序，生成每个细胞转录本的信息，具有相似转录组谱的细胞被分组为同一类型或亚型并注释，如图1A所示。进一步将来自两个物种的单细胞转录组数据在整合和簇注释之后以分辨物种特异性细胞的同时推断细胞发育轨迹，实现特定细胞谱系轨迹调节基因在不同物种之间的比较，如图1B所示。

图 1.单细胞转录组分析工作流程

研究人员进一步通过比较拟南芥侧根和苜蓿根瘤发育的单细胞测序结果，以确定控制其细胞谱系发育差异的调节因子，拟南芥中的侧根形成始于木质部周环中柱鞘（xylem pole pericycle, XPP）细胞。苜蓿根瘤的发育同样始于XPP细胞分裂，但随后其扩展到与XPP相邻的内皮层和皮层薄壁细胞。因此，尽管这两个过程都始于相同细胞类型的分裂，但调节差异将其谱系指向不同的细胞和发育结果。如图2所示。通过探索来自不同物种的单细胞转录组数据，以对比发育进程确定独特性状的调节因子，为今后的作物育种提供新的思路。

图 2.拟南芥侧根和苜蓿根瘤器官发生的比较单细胞转录组学

这种比较单细胞转录组策略的应用同样存在局限性。涉及多个样品联合分析的单细胞实验必须考虑批次效应。最近，已经开发并研究了集成这些复杂和非线性数据集的各种方法。然而，在整合来自多个物种的数据时对这些批次效应影响的过度校正可能会迫使每个物种特异性的细胞类型合并，从而影响了对数据的生物学解释。因此，在了解集成方法的应用场景并选择更适应每种情况的方法至关重要。尽管物种之间共享的表达流程已被用于鉴定同源细胞类型，但复杂的全基因组重复进化历史的物种中或有限的基因组资源和注释都会对相关研究带来挑战。研究过程中统一的采样和单个细胞分离方案也有利于避免诱导与新器官发育无关的反应。尽管存在各种挑战，但性状进化起源以及最近在物种之间比较发育中分化差异依旧值得探索。最后，考虑发育过程中的时间差异对于比较物种之间的细胞谱系以及区分由于谱系差异而不是发育异步性的时间差异至关重要。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1360138522002126

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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