空间转录组学技术，正引领植物研究新时代的到来

空间转录组学技术的出现，为人类从更高维度认识和解析生命动态过程提供了强大的工具。

近年来，单细胞技术在动物和人类领域得到了广泛应用，但由于技术限制和植物组织解剖相关挑战，其在植物界的应用方面远远落后。如今，空间转录组学的最新进展，也使得从空间角度研究源自植物组织的单细胞成为可能。

近日，华大生命科学研究院徐讯研究员团队受邀在植物领域国际期刊The Plant Journal发表综述文章，从技术发展、技术优势和应用的角度详细介绍了空间转录组学在植物研究中的最新进展和挑战，以及未来的应用展望。

空间转录组学技术在植物研究中的进展

根据空间信息的获取方式，空间转录组学技术可分为三类：基于激光捕获显微镜的方法、基于成像的方法、基于原位捕获测序的方法。

该篇文章重点关注空间转录组学技术的分辨率和组织捕获领域在植物研究中的关键作用。

01

迈向单细胞分辨率

基于显微切割的方法可以实现单细胞甚至亚细胞分辨率，但检测到的基因数量有限；

基于图像捕获的方法大多能够实现单细胞分辨率，但受到图像采集时间长且需要复杂设备的限制；

大多数基于原位捕获测序方法的分辨率通常受到捕获点直径的限制。目前能够实现单细胞分辨率的原位捕获测序技术包括华大时空组学技术Stereo-seq等。这些具有单细胞分辨率的空间转录组学技术，可以推断亚细胞结构并解决细胞异质性。此外，增强的分辨率允许研究细胞相互作用的组织结构模型。

02

厘米级大组织的全景视图

毫米范围内的微阵列阻碍了需要更大规模组织的空间转录组学实验。Stereo-seq通过将芯片尺寸扩展至13x13cm，实现了厘米级的大视场。大尺寸切片可以完整地描绘大型组织的多个边缘和毗邻关系，为了解组织复杂性和单个切片内细胞的空间组成提供有价值的见解。

空间转录组学在植物生物学中的应用

空间转录组学技术从空间角度研究植物组织的单细胞特性，包含以下几个方面：

01

鉴定细胞类型

一直以来，生物学家致力于分析多细胞生物的细胞动力学并破译复杂组织的细胞组成。

空间转录组学可以通过利用空间位置信息，区分具有相似转录组的细胞类型并进一步对它们进行分类。例如，区分拟南芥叶片的上表皮和下表皮，并提供新的叶片细胞标记基因。

02

构建细胞命运发育谱系

在植物发育过程中，细胞可以分化并发育成各种细胞类型。空间转录组学能同时记录转录异质性和细胞的空间坐标，从而能够对细胞命运的发育谱系进行空间重建。

03

细胞间的通讯和相互作用

多细胞生物中的细胞间相互作用调节其活动并保证其有序、有效的运行。

细胞相互作用分析可以通过使用空间转录组学数据筛选具有空间相邻关系的细胞来进行，这可以挖掘关键的细胞间通讯并显示可能的细胞相互作用联系。例如，空间转录组学可用于研究大豆与根瘤菌之间的相互作用机制。

空间转录组学在植物研究中的最新应用

空间转录组学

在植物应用中的技术挑战及未来展望

过去几年，空间转录组学技术已取得显著进展。但由于植物样本的复杂性和多样性，空间转录组学需要在取样方法、定制单细胞分割算法、构建植物的综合参考数据库等多个方面进行改写。

空间转录组学技术是植物研究的强大工具，使研究人员能够全面检查组织发育并生成空间蓝图。文章探索了空间转录组学在植物基础科学中的潜在应用：

（1）推进发育生物学研究，如构建各种植物器官的细胞类型图谱和生长谱系；

（2）解码植物与微生物群的相互作用，如大豆与根瘤菌的共生相互作用机制、植物对病原菌的免疫反应；

（3）分析代谢途径，如药用植物的药用成分合成途径及机制解析。

空间转录组学技术在植物应用中的未来展望

总体而言，空间转录组学技术的单细胞分辨率和大视野正在推动植物研究新时代的到来。目前，该技术已成功用于识别细胞类型、重建细胞命运谱系以及揭示细胞与细胞之间的相互作用。相信随着空间转录组学的广泛应用，专业分析工具、算法和实验技术将不断发展和改进。

未来，通过将空间转录组学与其它空间组学方法相结合，将进一步增强我们对植物发育、新陈代谢和微生物群相互作用的理解，为植物生物学的关键问题提供新的见解。

华大生命科学研究院殷瑞莲博士为第一作者，华大生命科学研究院徐讯研究员和夏科科研究员为共同通讯作者。

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