Genome Biology | 华中农大鄢文豪团队绘制小麦单细胞图谱揭示亚基因组不对称表达规律

多倍化过程是植物物种形成、进化和多样化的重要驱动力。多倍化进程产生了一个在多倍体物种中普遍存在的现象，即直系同源基因间的不对称表达。亚基因组不对称性表达是物种进化、环境适应以及重要性状形成的驱动力。面包小麦作为异源六倍体(Triticum aestivum L., AABBDD, 2n = 6x = 42)，其不同亚基因组间直系同源基因之间的不对称表达现象更为复杂。目前，亚基因组间直系同源基因之间的不对称表达研究主要停留在植物组织器官水平，是多种细胞类型基因表达的合集，容易造成误读，更精细尺度的直系同源基因的不对称表达规律有待揭示。

近日，来自华中农业大学的鄢文豪教授团队在Genome Biology杂志发表题为“Asymmetric gene expression and cell-type-specific regulatory networks in the root of bread wheat revealed by single-cell multiomics analysis”的研究文章。文章利用主要利用单细胞核转录组测序（snRNA-seq）和单细胞核染色质可及性测序（snATAC-seq），首次从单细胞水平解析六倍体小麦根细胞亚基因组表达不对称性和细胞类型特异的调控网络。

研究者以小麦根为研究模型，建立了可以与10x genomics单细胞测序体系兼容的小麦单细胞核转录组和开放染色质分离体系。共鉴定到22个小麦根细胞类群（图1b），包括组成中柱的原生韧皮部、原生木质部、后生木质部、筛分子、伴胞细胞和维管束鞘；组成基本组织的根毛、表皮/皮层和内皮层细胞；以及根冠区域的小柱细胞、根冠细胞和根缘细胞（图一）。有意思的是，根缘细胞在以前的研究中就有报道，但是第一次被单细胞核测序技术检测到。这也说明单细胞核测序技术体系可以较为详细地鉴定和注释小麦根细胞类型。

图一、基于细胞核的单细胞表达分析方法及根部细胞类型的定义

利用单细胞表达数据，研究者在单细胞水平探究了小麦亚基因组不对称表达现象。首先，研究者发现原本在bulk RNA-seq中被鉴定为“平衡表达”模式的基因在不同细胞类型水平则可能表现为不同比例的“不对称表达”模式。这说明亚基因组间的基因不对称表达在根细胞的分化和发育过程是动态变化的，具有较高的异质性特征。同时，研究者还发现沿着拟时序发育轨迹的变化，不平衡表达直系同源基因也会出现逐渐增加的趋势，推测小麦亚基因组间的不平衡表达可能是小麦根细胞分化的重要驱动之一（图二）。

图二、细胞类型依赖的基因不对称表达。

研究者在22个小麦根细胞类型中，使用SCENIC4鉴定了以转录因子为核心的细胞类型特异的转录调控组。并发现TaSPL14（拟南芥中的同源基因为AtSPL9）被鉴定为是多种维管束细胞类型（原生木质部、原生韧皮部和伴胞细胞）的重要调控因子，TaSPL14可能以BAM1为靶基因，在根部维管组织发育中发挥着较为重要的作用。此外，研究者还将snRNA-seq与snATAC-seq数据结合构建根毛细胞类型特异的拟时序分化调控网络，鉴定到多个调控分生组织到表皮/皮层细胞、表皮/皮层细胞到根毛细胞身份转变的上游调控因子，包括已经被广泛研究报道的、参与表皮细胞分化的HDG1和PDF2所在家族的同源基因。

图三、细胞类型特异的调控网络与根毛分化重要调控因子。

本研究首次从单细胞尺度解析了多倍体亚基因组不对称表达规律及其对器官发育分化的作用。同时，基于共表达网络鉴定了细胞类型特异的转录因子调控模块，为后续研究这些转录因子在小麦根部细胞的具体生物学功能提供了线索。该研究创建的以单细胞核为基础的单细胞测序技术可以避免原生质体制备过程中产生的“背景噪音”，准确的鉴定特定细胞的基因表达规律。相关技术将在环境响应信号解析和不同器官的单细胞分析等研究领域发挥重要作用。

原文链接：

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-023-02908-x

作者与致谢

华中农业大学鄢文豪教授课题组主要从事小麦高产与适应性的基因表达调控机制解析及性状精准改良研究。博士后张立华、贺超和硕士生赖玉婷为论文的共同第一作者，鄢文豪教授为论文的通讯作者。中国农业大学姚颖垠教授、南京大学陈迪俊教授、德国洪堡大学Kerstin Kaufmann教授、南京农业大学张天奇教授对研究工作提供了无私的帮助，华中农业大学高亢博士对细胞核分离方法建立提供了帮助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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