2019年4月18日，國際學(xué)術(shù)期刊Molecular Plant 雜志在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所王佳偉研究組題為"A single-cell RNA sequencing profiles the developmental landscape of Arabidopsis root "的研究論文，在單細胞水平揭示了擬南芥根尖細胞的異質(zhì)性，描繪了擬南芥發(fā)育全景圖（developmental landscape）并重構(gòu)了根尖分生組織細胞的發(fā)育軌跡。

值得一提的是，目前全球各地發(fā)表的植物單細胞測序的文章達到5篇了。iPlants報道了其中的三篇，包括一篇Plant Cell（點擊查看）、Plant Physiology（點擊查看）、Developmental Cell （點擊查看）、一篇Science（未報道）和這一篇，包括4篇是根發(fā)育和1篇是雄性配子發(fā)育。該五篇文章幾乎都是同時發(fā)表，表明該領(lǐng)域的競爭激烈，同時也說明了單細胞測序技術(shù)在植物研究應(yīng)用中已經(jīng)成熟，期待未來更多的植物組織細胞的測序，為解決植物如何從胚發(fā)育成全株提供更多的信息！

什么是高通量單細胞RNA測序技術(shù)？

自2009年湯富酬研究員在Nature Methods首次報道其開創(chuàng)性工作以來，單細胞RNA測序技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是發(fā)育生物學(xué)和干細胞研究中展現(xiàn)出強大的應(yīng)用前景。隨著單細胞轉(zhuǎn)錄組擴增方法的不斷優(yōu)化和核酸測序通量的持續(xù)提升，幾十甚至幾百個單細胞所提供的信息已經(jīng)不再能滿足研究人員的需求。2015年以來，基于細胞條形碼標記技術(shù)的液滴超高通量單細胞測序技術(shù)相繼涌現(xiàn)，以哈佛大學(xué)的David Weitz等開發(fā)的inDrop和Drop-seq系統(tǒng)，以及10X Genomics公司的Chromium平臺為代表。液滴超高通量單細胞測序技術(shù)所基于的原理是，利用微流控系統(tǒng)產(chǎn)生單個細胞+單個微球的納升級液滴，每個微球表面包裹有特異的寡核苷酸序列（細胞條形碼）對同一細胞來源的RNA分子進行標記，就可以對數(shù)千個細胞的cDNA合并建庫，省去了對單個細胞的重復(fù)操作，大大提升了單細胞測序的通量和單個細胞測序的成本。關(guān)于液滴超高通量單細胞RNA測序技術(shù)的詳細介紹和三個系統(tǒng)的全面測評，小編推薦近期由清華大學(xué)王建斌研究組和北京大學(xué)黃巖誼研究組合作的文章。植物中的工作大部分都選擇了10X Genomics公司的Chromium平臺，這也和該平臺商業(yè)化最為徹底不無關(guān)系，在不考慮成本的情況下，Chromium平臺在測評中各指標的表現(xiàn)也是最為穩(wěn)健。從投稿時間來看，幾項工作在Chromium平臺推出之后不久就已經(jīng)開展，足以見植物研究工作者也對這種高效、高性價比、高通量的單細胞RNA測序技術(shù)期待已久。

inDrop系統(tǒng)示意圖

根是植物重要的組織器官，負責(zé)固定/支撐植物，從土壤中吸收水、礦質(zhì)元素供給植物生長發(fā)育，參與植物與生物或非生物信號的互作。數(shù)量眾多的細胞如何組裝成一個完整的具有不同組織分化的根器官、發(fā)揮相關(guān)生物學(xué)功能是有趣和重要的科學(xué)問題。王佳偉研究組建立了植物單細胞RNA測序與分析系統(tǒng)，并將這一技術(shù)應(yīng)用在擬南芥根的研究中。通過前期大量預(yù)實驗，成功捕獲了7,695個根單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。在無監(jiān)督分析條件下，這些根細胞被歸為24個細胞類群。細胞類群注釋分析鑒定了一些潛在的新細胞類型，并找到了一批細胞類型標記基因。尤為重要的是，通過t-SNE和UMAP算法展示聚類，重構(gòu)了根發(fā)育的基本軌跡，實現(xiàn)了根分生組織細胞分裂和分化在單細胞水平上的準確投影。進一步利用偽時間（pseudo-time）分析，捕獲了根尖分生組織細胞的分化軌跡和過渡態(tài)細胞，解析了根分生組織細胞如何通過協(xié)調(diào)細胞分裂和分化進程逐步形成根尖不同細胞類型的分子機理。此外，通過分析細胞類群對離子吸收和激素響應(yīng)情況，揭示了不同根細胞類群的響應(yīng)熱圖。該研究加深了我們對擬南芥根細胞組成和發(fā)育軌跡的認識，將根發(fā)育生物學(xué)從原先的組織器官水平提升到了單細胞水平。

中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所博士后張?zhí)炱婧筒┦可熘薷鼮楸菊撐墓餐谝蛔髡?，中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所王佳偉研究員為通訊作者。該研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)B項目、中國科協(xié)青年人才托舉工程、中國博士后創(chuàng)新人才支持計劃、Sanofi-SIBS青年人才獎學(xué)金的資助。