植物应用新突破！DNBelab C系列单细胞平台助力构建拟南芥愈伤组织诱导的单细胞图谱
2024年5月7日，华大生命科学研究院徐讯团队在Plant Communications在线发表了题为"A Single-cell transcriptome atlas reveals the trajectory of early cell fate transition during callus induction in Arabidopsis"的研究论文（点击文末“阅读原文”查看文献）。
该研究通过DNBelab C系列单细胞转录组技术（scRNA-seq）构建了愈伤组织诱导的详细单细胞转录图谱，确定了负责启动早期愈伤组织的细胞类型：类侧根原基起始（LRPI-like）细胞和类静止中心（QC-like）细胞，重构了愈伤组织形成过程中的脱分化轨迹，并推断出调控QC-like细胞的转录因子以及与细胞命运决定相关的基因表达特征，为愈伤组织形成过程中的细胞命运转变提供了独特的视角，并提高了对愈伤组织形成及植物细胞全能性的理解。
在适当的培养条件下，植物体细胞保留了再生器官或整个个体的卓越能力。利用植物再生能力开发的组织培养技术广泛应用于植物增殖、基因编辑和遗传改良。对于典型的组织培养再生系统，首先将分离的外植体在愈伤组织诱导培养基（CIM）上培养，形成愈伤组织，然后将愈伤组织转移至芽诱导培养基或根诱导培养基来再生新的芽或根组织。在此过程中，体细胞形成愈伤组织是植物细胞获得全能性的关键，也是不定芽或根的从头再生所必需的。然而，对于许多作物物种来说，愈伤组织的诱导是阻碍遗传改良研究的瓶颈技术。因此，阐明植物愈伤组织形成的分子机制非常重要。
该研究对在CIM上诱导0天（CIM0）、1天（CIM1）和4天（CIM4）的拟南芥根外植体进行了时间序列单细胞转录组实验。根据拟南芥根细胞类型标记基因对细胞簇进行身份注释，CIM0中的细胞簇还保留着根细胞身份特性，例如侧根冠细胞，木质部极中柱鞘细胞；CIM1与CIM4中的细胞簇的细胞命运开始发生转变，部分细胞簇表现出潜在的多能性获得特性。考虑到愈伤组织形成与侧根起始发育程序类似，并且侧根原基起始基因在细胞9中显着富集，于是将细胞簇 9 注释为 LRPI-like细胞。此外，该研究检测了多能性基因集在每个细胞簇的表达得分，以评估细胞簇的多能性。研究中观察到细胞簇 19 具有最高的多能性得分，表明它代表了高可塑性多能细胞群，且调控再生相关的标记基因ENHANCER OF SHOOT REGENERATION 1 (ESR1)、PHABULOSA (PHB)等在细胞簇19中特异表达。基于此，将细胞簇19注释为QC-like细胞。生成的单细胞转录组图谱揭示了愈伤组织形成过程中巨大的细胞异质性和快速的细胞命运转变特征。此外，该研究搭建的愈伤组织单细胞转录图谱的可视化网站（https://db.cngb.org/genebank/arabidopsis/singlecell）为研究植物细胞全能性及再生机制提供了参考资源。
图1 根愈伤组织单细胞转录组图谱
基于每个时间点的细胞类型身份，该研究构建了愈伤组织形成过程中的脱分化轨迹。首先，采用Monocle 3构建的全局轨迹预示LRPI-like细胞会发育成QC-like细胞。然后，通过CytoTrace评估细胞簇的分化程度，结果显示QC-like细胞的分化程度最低，LRPI-like细胞处于中间分化状态。随后，通过Monocle 2和scTour重构的发育轨迹均显示LRPI-like细胞去分化为具有更高多能特性的QC-like细胞。QC-like细胞表现出增强的多能性和一系列调节愈伤组织发育的转录活性，表明在后续愈伤组织发育中具有独特作用的潜力。
图2 LRPI-like细胞去分化为具有更高多能特性的QC-like细胞
此外，该研究通过与侧根形成、下胚轴愈伤组织的单细胞转录组数据进行比较分析，揭示了QC-like细胞在愈伤组织形成过程中的独特作用。研究中构建的转录因子调控网络提供了丰富的潜在调控基因，为进一步的功能调控探索提供了参考基因库，以提高愈伤组织诱导的效率。
华大生命科学研究院徐讯研究员和夏科科副研究员为论文通讯作者，华大生命科学研究院和中国科学院大学联合培养博士研究生殷瑞莲为论文第一作者，华大生命科学研究院和中国科学院大学联合培养博士研究生陈睿颖也参与了该项研究工作。该研究得到了国家重点研发计划(2022YFC3400300)、广东省基因组读写重点实验室(No. 2017B030301011)、深圳市单细胞组学重点实验室(No. ZDSYS20190902093613831)和广东省基因组数据中心(2021B1212100001)的支持。
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