2024-03-19
植物再生和分化中轉錄組學研究的障礙
新(xin)芽器官發(fa)生（DNSO）是植物(wu)再生的(de)(de)一個(ge)重要過程，涉(she)及(ji)愈傷組織的(de)(de)形成、多能性的(de)(de)獲取(qu)以及(ji)根和莖原(yuan)基(ji)的(de)(de)后續發(fa)育。DNSO背后的(de)(de)細胞和分子過程仍(reng)不完全清楚(chu)。這種復(fu)雜的(de)(de)現象涉(she)及(ji)與(yu)環(huan)境反應(ying)整合的(de)(de)復(fu)雜的(de)(de)激素信(xin)號通路網(wang)絡協調的(de)(de)轉(zhuan)錄和代謝重編(bian)程。 比如bulk RNA-seq和(he)scRNA-seq等組(zu)學技術，通過(guo)解剖(pou)基因表(biao)達(da)網絡，為DNSO提(ti)(ti)供了(le)有獨特的見解。但(dan)bulk RNA-seq限(xian)制了(le)識別細胞異(yi)質性的能力，而scRNA-seq由于樣品制備過(guo)程（如原生質體(ti)制備和(he)細胞核的分離和(he)分選）可能會(hui)引(yin)入顯著的轉錄(lu)組(zu)改變或分選效率較(jiao)低(di)。相比之下，新(xin)興的空(kong)間轉錄(lu)組(zu)學（ST）技術提(ti)(ti)供了(le)空(kong)間基因表(biao)達(da)模式(shi)的全面視角(jiao)，并為研究整個(ge)組(zu)織(zhi)和(he)器官的動(dong)態轉錄(lu)組(zu)過(guo)程提(ti)(ti)供了(le)強有力的工具。
番茄愈(yu)傷組織芽再(zai)生過程中空(kong)間(jian)轉錄組圖譜的(de)研究 利用(yong)ST技術(shu)分(fen)析(xi)了番(fan)(fan)茄(qie)莖部(bu)(bu)再生(sheng)(sheng)過程中(zhong)整(zheng)個愈傷(shang)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)中(zhong)單細胞(bao)(bao)的(de)(de)(de)分(fen)子特(te)征(zheng)。研究結(jie)果表明，在(zai)愈傷(shang)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)中(zhong)存在(zai)高(gao)度異質性的(de)(de)(de)細胞(bao)(bao)群，包括表皮、維管組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)、芽(ya)(ya)原(yuan)(yuan)(yuan)基、內部(bu)(bu)愈傷(shang)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)和(he)生(sheng)(sheng)長芽(ya)(ya)。通過表征(zheng)芽(ya)(ya)原(yuan)(yuan)(yuan)基和(he)周(zhou)圍(wei)細胞(bao)(bao)的(de)(de)(de)空間分(fen)辨(bian)分(fen)子特(te)征(zheng)，確定(ding)了芽(ya)(ya)原(yuan)(yuan)(yuan)基形成所必需的(de)(de)(de)特(te)定(ding)因(yin)素。值得注意的(de)(de)(de)是，在(zai)光(guang)(guang)合作用(yong)相關(guan)過程中(zhong)富集的(de)(de)(de)綠色(se)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)細胞(bao)(bao)在(zai)促進(jin)芽(ya)(ya)原(yuan)(yuan)(yuan)基形成和(he)芽(ya)(ya)再生(sheng)(sheng)中(zhong)起著(zhu)至(zhi)關(guan)重要的(de)(de)(de)作用(yong)。光(guang)(guang)通過誘導(dao)綠色(se)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)細胞(bao)(bao)發育和(he)協調(diao)糖(tang)信號來促進(jin)芽(ya)(ya)再生(sheng)(sheng)。這些發現極大(da)的(de)(de)(de)促進(jin)了我們對(dui)番(fan)(fan)茄(qie)愈傷(shang)組(zu)(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)再生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)細胞(bao)(bao)和(he)分(fen)子方面的(de)(de)(de)理解，證(zheng)實了空間轉錄組(zu)(zu)(zu)(zu)學在(zai)植物(wu)生(sheng)(sheng)物(wu)學中(zhong)的(de)(de)(de)巨大(da)潛力。 通過結(jie)合(he)組織學圖像和擬南(nan)芥(jie)同(tong)源(yuan)標記基(ji)因的(de)表達(da)，文章定義了五種(zhong)主要(yao)的(de)細胞類型：表皮、血(xue)管組織、芽原基(ji)、生(sheng)長芽和內愈傷組織。這(zhe)一注釋結(jie)果與解(jie)剖觀察(cha)結(jie)果密切一致。同(tong)時(shi)也利(li)用RNA原位雜交(jiao)技術進一步驗證(zheng)了所選標記基(ji)因的(de)空(kong)間表達(da)。 圖一 番茄(qie)愈傷組織細胞圖譜 表(biao)皮(pi)結(jie)構主要位于愈傷組(zu)(zu)織切片的最外(wai)層周圍（圖(tu)2C）。通過對表(biao)皮(pi)結(jie)構的亞聚類分析，發現兩種主要的亞型，表(biao)皮(pi)樣細(xi)胞1和表(biao)皮(pi)樣細(xi)胞2，分布在空(kong)(kong)氣和培養基附近的位置。對這些亞型中特(te)異(yi)性(xing)(xing)表(biao)達的marker基因功(gong)能(neng)富(fu)集(ji)分析顯示了(le)不同(tong)的分子特(te)征。該研究結(jie)果(guo)表(biao)明番茄愈傷組(zu)(zu)織的表(biao)皮(pi)結(jie)構在空(kong)(kong)間上(shang)表(biao)現出細(xi)胞異(yi)質性(xing)(xing)和功(gong)能(neng)多樣性(xing)(xing)。 圖二 番茄愈(yu)傷組織(zhi)的表皮(pi)結構 除了吸(xi)收(shou)營養(yang)的(de)(de)表皮(pi)細(xi)胞外(wai)，維(wei)(wei)管(guan)(guan)細(xi)胞還(huan)在(zai)愈(yu)(yu)傷(shang)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)內(nei)提(ti)供營養(yang)傳遞途(tu)徑和機(ji)械支撐作用。在(zai)對(dui)番(fan)(fan)茄(qie)愈(yu)(yu)傷(shang)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)觀察中，發現了多個(ge)(ge)具(ju)有不同特征的(de)(de)維(wei)(wei)管(guan)(guan)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)。這(zhe)些維(wei)(wei)管(guan)(guan)細(xi)胞在(zai)愈(yu)(yu)傷(shang)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)內(nei)形(xing)成(cheng)了一(yi)(yi)個(ge)(ge)由多個(ge)(ge)支鏈(lian)組(zu)(zu)成(cheng)的(de)(de)復雜網絡(luo)，并與(yu)(yu)生長(chang)芽的(de)(de)維(wei)(wei)管(guan)(guan)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)相(xiang)連。同時也在(zai)維(wei)(wei)管(guan)(guan)細(xi)胞中富集到了與(yu)(yu)維(wei)(wei)管(guan)(guan)發育相(xiang)關的(de)(de)通路，如(ru)木質(zhi)部和韌皮(pi)部模式的(de)(de)形(xing)成(cheng)和植(zhi)物型次(ci)生細(xi)胞壁的(de)(de)生物發生。這(zhe)些結果(guo)表明，番(fan)(fan)茄(qie)愈(yu)(yu)傷(shang)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)維(wei)(wei)管(guan)(guan)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)形(xing)成(cheng)了一(yi)(yi)個(ge)(ge)參(can)與(yu)(yu)營養(yang)代謝(xie)和運(yun)輸(shu)的(de)(de)復雜網絡(luo)。表皮(pi)樣細(xi)胞2與(yu)(yu)番(fan)(fan)茄(qie)愈(yu)(yu)傷(shang)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)維(wei)(wei)管(guan)(guan)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)的(de)(de)功能相(xiang)似性表明，它們是代謝(xie)和運(yun)輸(shu)支持莖再生的(de)(de)必需(xu)物質(zhi)的(de)(de)協調有效系統(tong)。 圖三 番茄愈傷組織維管組織結構 芽(ya)(ya)原(yuan)基(ji)(ji)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)是(shi)芽(ya)(ya)祖細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)，發育(yu)為未來的頂端分(fen)生(sheng)組織（shoot apical meristem,SAM）和(he)整個(ge)芽(ya)(ya)，是(shi)DNSO過程(cheng)中的重要(yao)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)類型。作者基(ji)(ji)于芽(ya)(ya)原(yuan)基(ji)(ji)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)分(fen)子水平的轉(zhuan)錄(lu)差異，將(jiang)其分(fen)成了芽(ya)(ya)原(yuan)基(ji)(ji)1、芽(ya)(ya)原(yuan)基(ji)(ji)2和(he)芽(ya)(ya)原(yuan)基(ji)(ji)3三(san)個(ge)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)亞型。這些亞型的RNA速率(lv)和(he)偽時間軌跡分(fen)析顯示，分(fen)化沿著(zhu)莖(jing)原(yuan)基(ji)(ji)1、莖(jing)原(yuan)基(ji)(ji)2和(he)莖(jing)原(yuan)基(ji)(ji)3的譜系轉(zhuan)變。三(san)個(ge)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)亞群的高(gao)表達基(ji)(ji)因分(fen)別富(fu)集到了不同的功能通路。 圖四 番茄愈傷組織(zhi)中的(de)芽原基細胞的(de)空間特征 通過研究光合作用相(xiang)關(guan)基(ji)因模塊的(de)(de)(de)(de)表(biao)達(da)模式(shi)發(fa)現(xian)莖的(de)(de)(de)(de)芽原(yuan)基(ji)被(bei)番茄(qie)愈傷組(zu)織(zhi)中富含光合作用相(xiang)關(guan)基(ji)因的(de)(de)(de)(de)細胞(bao)所包圍，并(bing)將這些(xie)細胞(bao)定義(yi)為綠(lv)色(se)組(zu)織(zhi)細胞(bao)。已(yi)知綠(lv)色(se)組(zu)織(zhi)是由光誘導的(de)(de)(de)(de)，本研究發(fa)現(xian)缺乏光會阻(zu)礙番茄(qie)DNSO中綠(lv)色(se)組(zu)織(zhi)細胞(bao)的(de)(de)(de)(de)形成及其潛在的(de)(de)(de)(de)功(gong)能(neng)。與連續黑暗條件(D)相(xiang)比，DL 1d條件顯著(zhu)誘導了與葉綠(lv)體發(fa)育相(xiang)關(guan)的(de)(de)(de)(de)基(ji)因的(de)(de)(de)(de)表(biao)達(da)。 圖(tu)五 芽(ya)原基周圍(wei)的綠色(se)組織細胞促進芽(ya)再生
總 結 ST技(ji)術（如Stereo-seq、10×Visium和BMKMANU S1000）與其他空(kong)間(jian)(jian)(jian)組學(xue)(xue)技(ji)術，包括空(kong)間(jian)(jian)(jian)代謝(xie)組學(xue)(xue)和空(kong)間(jian)(jian)(jian)蛋白(bai)質組學(xue)(xue)，對(dui)于(yu)實現對(dui)復雜生物系(xi)統更全(quan)面的(de)理(li)解具(ju)有巨大的(de)潛力，例(li)如利(li)用質譜(pu)成像（MSI）技(ji)術將空(kong)間(jian)(jian)(jian)轉錄(lu)組譜(pu)與空(kong)間(jian)(jian)(jian)代謝(xie)組學(xue)(xue)相結合，通過(guo)轉錄(lu)組和表位測序（空(kong)間(jian)(jian)(jian)CITE-seq）進行(xing)空(kong)間(jian)(jian)(jian)蛋白(bai)質組學(xue)(xue)研究 本研(yan)究成功地(di)證明(ming)了ST在番茄愈傷組織枝條再生研(yan)究中的(de)(de)應(ying)用(yong)。這種創新(xin)的(de)(de)方(fang)法使研(yan)究人員(yuan)能(neng)(neng)夠對復雜生物系統(tong)中不同細(xi)胞(bao)的(de)(de)轉(zhuan)錄(lu)網(wang)絡獲(huo)得有價值的(de)(de)見解。通過分析細(xi)胞(bao)與其(qi)環境之間的(de)(de)相互作用(yong)，ST能(neng)(neng)夠發現新(xin)的(de)(de)細(xi)胞(bao)亞(ya)型，確(que)定細(xi)胞(bao)譜(pu)系關系，并識(shi)別整(zheng)個組織和(he)器官內的(de)(de)動態細(xi)胞(bao)過程。 空間多組學技術(shu)應(ying)用和(he)整合，為(wei)研究植(zhi)(zhi)物復雜的(de)(de)生(sheng)物過(guo)程如生(sheng)長(chang)調控、發(fa)育、和(he)對環境的(de)(de)反應(ying)中提供(gong)一(yi)個更(geng)全(quan)面分(fen)子機制參考。該方法可以更(geng)全(quan)面地(di)了解植(zhi)(zhi)物的(de)(de)再生(sheng)過(guo)程，為(wei)提高抗性植(zhi)(zhi)物的(de)(de)轉(zhuan)化效率帶有很大(da)的(de)(de)希(xi)望(wang)。
參考(kao)文獻 1.Zhang B, Zhang H, Xia Y. Harnessing spatial transcriptomics for advancing plant regeneration research. Trends Plant Sci. 2024 Feb 27:S1360-1385(24)00045-1. doi: 10.1016/j.tplants.2024.02.004. Epub ahead of print. PMID: 38418271. 2.Song X, Guo P, Xia K, Wang M, Liu Y, Chen L, Zhang J, Xu M, Liu N, Yue Z, Xu X, Gu Y, Li G, Liu M, Fang L, Deng XW, Li B. Spatial transcriptomics reveals light-induced chlorenchyma cells involved in promoting shoot regeneration in tomato callus. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023 Sep 19;120(38):e2310163120. doi: 10.1073/pnas.2310163120. Epub 2023 Sep 13. PMID: 37703282; PMCID: PMC10515167.
