Nature Comm | 中科院分子植物卓越中心王佳伟组揭示水稻根单细胞图谱和分化轨迹全景图

责编 | 王一

高等植物个体都由单个受精卵通过细胞分裂和分化而来。细胞是组成这些高等植物个体多的基本单元。数以亿计甚至万亿计的细胞，由干细胞分化形成功能多样的细胞类型，来完成基本的生命活动。这些细胞间有哪些相似性和差异性？细胞的分子特征是怎样的？一个植物由哪些基本的细胞类型组成？不同植物细胞类型又是如何形成的？对这些科学问题的回答，有利于增进人们对植物基本活动规律的认识。

继解析拟南芥根尖组织单细胞图谱和茎尖组织单细胞图谱后 （Zhang et al., Mol Plant, 2019; Zhang et al., Dev Cell, 2021） ，近日中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究组在国际学术期刊Nature Communications杂志发表了题为Single-Cell Transcriptome Atlas and Chromatin Accessibility Landscape Reveal Differentiation Trajectories in the Rice Root的研究论文，揭示了水稻根单细胞图谱和分化轨迹全景图。

水稻作为重要的粮食作物之一，是人们重要的食物来源。根是水稻重要的组织器官。遗传突变体筛选是传统发育生物学和功能基因组学获得重要调控基因的有力手段，但却往往受限于研究周期长、黑盒测试、数量性状、工作量大等不利因素。近年来随着单细胞RNA测序技术的发明与应用，使得研究人员可以在单细胞水平系统了解植物细胞的异质性、描绘各种类型细胞的分化和发育轨迹，加速对重要调控因子的挖掘进程。

基于实验室前期对双子叶模式植物拟南芥的根单细胞图谱的解析 （Zhang et al., Mol Plant, 2019） ，为了进一步探究单子叶植物根的发育模式，揭示单双子叶植物根的演化规律，张天奇博士将scRNA-seq （single-cell RNA sequencing） 和ATAC-seq (assays for transposase-accessible chromatin sequencing) 技术应用到水稻根的研究中。scRNA-seq实验成功捕获了27469个高质量单细胞转录组数据。无监督通聚类分析，将这些细胞分为21个不同的细胞类群 （cluster） 。这些细胞类群涵盖水稻根表皮、外皮层、厚壁组织、皮层、内皮层、中柱鞘、分生组织、维管组织等细胞类群。为准确注释这些细胞类型，作者进行大量RNA原位杂交和转基因荧光分析等实验，找到一系列全新的细胞类型标记基因。

不同细胞类型是由干细胞分化而来。单细胞测序技术对中间态细胞的捕获，通过轨迹推断解构出连续、动态的细胞分化轨迹，是研究细胞命运决定的有力手段。通过重排过渡态细胞和拟时间分析，作者系统描绘了表皮分生组织细胞通过分裂和分化形成成毛体细胞 （trichoblasts） 或非成毛体细胞 （atrichoblasts） 的发育过程，阐明了基本分生组织祖细胞 （ground tissue initial） 分化形成皮层、厚壁组织和外皮层的分化轨迹。

有趣的是，scRNA-seq和ATAC-seq整合分析显示，一些重要调控因子的染色质开放状态与其基因表达模式呈现时空关联性。尤为重要的是，通过结合反向遗传学实验，发现水稻根分生组织类群特异表达的转录因子OsGATA6参与了水稻根基本组织和维管束组织的发育过程，提示单细胞测序技术可以有效提升作物反向遗传学的成功效率。

最后作者将水稻根和拟南芥根单细胞转录组数据集的整合分析，希望揭示出单双子叶植物根的演化规律。结果显示，二者细胞类型在进化上保守性较低，仅在根毛、木质部、韧皮部等细胞类型中存在较高相似性。进一步深入比较和分析这些保守细胞类型，挖掘出一些潜在的核心细胞类型调控基因。

综上，这些研究成果帮助我们绘制了水稻根的单细胞图谱，为今后解析水稻根发育的精细过程和分子机制，人工定制根系以及提高营养吸收能力奠定了良好的基础。

王佳伟研究员和张天奇博士

中科院分子植物科学卓越创新中心博士后张天奇为论文第一作者。张天奇博士和王佳伟研究员为共同通讯作者。中科院分子植物科学卓越创新中心博士研究生陈瑜，南京农业大学刘晔讲师、上海交通大学林文慧教授也参与到该项研究中。该研究得到国家自然科学基金委基础科学中心项目、中国科学院先导B项目、中国科协青年人才托举工程和中国博士后创新人才支持计划等资助。

王佳伟实验合照

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22352-4