Developmental Cell | 封面文章！斯坦福大学利用单细胞测序揭示植物叶细胞发育的艺术性研究！

我们如何从单个细胞变成复杂的、整合的多细胞生物？

虽然发育生物学家长期以来一直在研究这个基本问题，但科研人员最近对拟南芥的研究发现了令人惊讶的答案。2021年4月5日，国际权威学术期刊Developmental Cell发表了美国斯坦福大学Dominique Bergmann教授团队的最新相关研究成果，题为Single-cell resolution of lineage trajectories in the Arabidopsis stomatal lineage and developing leaf。

研究人员使用单细胞RNA测序技术跟踪了近20,000个细胞的遗传活性，因为它们形成了拟南芥叶片的表面和内部。通过这种高度精细的技术，研究人员捕获了瞬时和稀有的细胞状态，并发现了大量令人惊讶的研究结果，揭示细胞如何转换各种身份，尤其是在干细胞种群的早期。科研人员在努力欣赏看到的每个新事物和独特之处之间的平衡，同时也认识到它们如何协同工作。尽管该领域的许多科学家专注于果蝇和蛔虫，但只有通过研究其他生物才能了解生物学发展的某些方面。当科研人员思考面对不断变化的世界的灵活性和弹性时，他们希望更多地了解生物体如何能够在压力下或暴露在极端环境中时设法建立功能性的生物体，这需要对具有灵活和可调整的生活方式的生物体进行研究，例如本研究所用到的植物。本研究以独特的艺术视角来诠释和分享这项研究。在本论文中，科研人员使用了受点画主义启发的分析软件来优雅地组织和可视化其庞大的数据集。

令人惊讶的细节

尽管先前在拟南芥上的实验已经确定了制造专门细胞的一些重要基因和步骤，但是这种新的逐个细胞数据填补了研究的更多细节。例如，研究人员发现，细胞可能会在它们似乎遵循的发育路径上双退，并且还可能向前跳。他们还注意到，相对于旧干细胞，新干细胞调节细胞类型之间转换的方式可能有所不同。尽管他们以前知道细胞分化的核心步骤，但结果发现沿途实际上有许多小的连续的步骤。

一个特别有趣的发现涉及一个称为SPEECHLESS的关键基因，该基因在气孔形成中起作用，植物通过气孔交换气体并调节水含量（Nature | 英国Sainsbury实验室重磅研究揭示植物气孔免疫机制！Nature | 专家点评：植物气孔的“守门员”—钙离子通道有助于关闭入侵者的大门！）。Bergmann实验室已经对SPEECHLESS进行了广泛的研究，但是新数据表明，它的发展过程比他们预期的更长。在一项后续实验中，研究人员能够在该基因完成其已知作用后有选择地去除该基因，但对比新数据表明它已经完成表达要更早。果然，过程偏离了轨道-研究人员现在正在努力找出原因。这与之前的研究结论是矛盾的，这真的很令人兴奋，这让科研人员想深入研究其他意想不到的细节--数据中看似微不足道的小插曲--看看他们错过了什么。研究人员认为这项工作启发了几个研究途径，包括重新考虑干细胞的含义，重新定义最终分化阶段的事件，以及重新评估作为叶片顶部与底部的细胞诞生的意义。

艺术与科学

从近2万个细胞--和3万个基因中分析细胞特性，需要机器学习算法。因此，研究人员建立了一个组织框架，该框架建立在使用最广泛的分析工具之一的基础上，该工具以点画画家Georges Seurat的名字命名为Seurat。与点画法一样，代表单个细胞及其特定基因表达特征的单个点在可视化中混合在一起，使研究人员能够看到大规模趋势。科研人员还开发了有关科学探究性质的绘图系列，以及受气孔扫描电子显微镜图像启发的组织景观的粘土模型系列，这个艺术呈现在了Developmental Cell期刊的封面。

图1. 叶组织内细胞状态分化模型

图2. 细胞周期调节子表现出独特但重叠的表达谱

图3. 气孔谱系灵活性定义为细胞状态的连续体

图4. SPCH在谱系的早期阶段已经表达并需要

更多精彩内容，点击下方“往期回顾”

喜欢就转发、收藏，点“在看”