2019年4月18日，国际学术期刊《分子植物杂志》(Molecular Plant magazine)在线发表了中国科学院分子植物科学卓越与创新中心/植物生理生态研究所王家卫研究组题为“拟南芥根的单细胞RNA测序图谱”的研究论文，揭示了拟南芥根尖细胞在单细胞水平上的异质性，描绘了拟南芥的发育景观，重建了根尖分生组织细胞的发育轨迹。
值得一提的是，目前在全球范围内发表的关于植物单细胞测序的文章有5篇。IPlants报道了其中的三篇，包括一篇植物细胞(点击查看)、一篇植物生理学(点击查看)、一篇发育细胞(点击查看)、一篇科学(未报道)和这篇，包括四篇关于根发育的文章和一篇关于雄配子发育的文章。五篇文章几乎都是同时发表的，可见这一领域的竞争之激烈。同时，这也表明单细胞测序技术在植物研究和应用中已经成熟。我们期待未来能对更多的植物组织和细胞进行测序，为解决植物如何从胚胎发育成完整植株提供更多的信息！
什么是高通量单细胞RNA测序技术？
自2009年唐福富研究员在《自然方法》杂志上首次报道其开创性工作以来，单细胞RNA测序技术在生物医学领域，尤其是在发育生物学和干细胞研究中显示出了强大的应用前景。随着单细胞转录组扩增方法的不断优化和核酸测序通量的不断提高，几十个甚至上百个单细胞提供的信息已经不能满足研究者的需求。2015年以来，基于细胞条形码标记技术的液滴超高通量单细胞测序技术层出不穷，以哈佛大学David Weitz开发的inDrop和Drop-seq系统、10X Genomics公司的Chromium平台为代表。液滴超高通量单细胞测序技术的原理是利用微流控系统生成单个细胞和单个微球的纳米升级液滴，在每个微球表面包裹特定的寡核苷酸序列(细胞条形码)来标记来自同一细胞的RNA分子，这样可以组合成千上万个细胞的cDNA来建立数据库，省去了对单个细胞的重复操作，大大提高了单细胞测序的通量和成本。对于液滴超高通量单细胞RNA测序技术的详细介绍和三个系统的综合评价，边肖推荐了清华大学王建斌研究组和北京大学黄岩易研究组最近合作的文章。植物方面的工作大多选择了10X Genomics公司的Chromium平台，这与平台商业化最彻底有关。不考虑成本，Chromium平台在评测中的表现也是最稳定的。从提交时间来看，Chromium平台上线后不久就开展了几项工作，可见植物研究人员对这种高效、低成本、高通量的单细胞RNA测序技术的等待已久。
inDrop系统示意图
根是植物的重要组织和器官，负责固定/支持植物，从土壤中吸收水分和矿质元素供植物生长发育，参与植物与生物或非生物信号的相互作用。如何将大量细胞组装成具有不同组织分化的完整根器官，并发挥相关生物学功能，是一个有趣而重要的科学问题。王家卫建立了植物单细胞RNA测序和分析系统，并将这一技术应用于拟南芥根的研究。通过大量的前期实验，成功捕获了7695个根单细胞转录组数据。在无监督分析下，这些根细胞被分成24个细胞群。细胞群注释分析确定了一些潜在的新细胞类型，并发现了许多细胞类型标记基因。尤其重要的是通过t-SNE和UMAP算法显示聚类，重建根发育的基本轨迹，实现根分生组织细胞分裂和分化在单细胞水平上的精确投影。此外，利用伪时分析捕捉了根分生组织细胞的分化轨迹和过渡细胞，分析了根分生组织细胞如何通过协调细胞分裂和分化过程在根尖逐渐形成不同细胞类型的分子机制。此外，通过分析细胞群对离子吸收和激素的响应，揭示了不同根细胞群的响应热谱。该研究加深了我们对拟南芥根细胞组成和发育轨迹的认识，将根发育生物学从原来的组织器官水平推进到单细胞水平。
中国科学院植物生理生态研究所分子植物科学卓越创新中心博士后张天其、博士生徐洲为论文的共同第一作者，中国科学院植物生理生态研究所分子植物科学卓越创新中心研究员王家卫为通讯作者。本研究得到了科技部、国家自然科学基金、中国科学院试点B项目、中国科协青年人才支持项目、中国博士后创新人才支持计划和赛诺菲-SIBS青年人才奖学金的资助。
