GPB | 单细胞多组学技术植物领域研究再添新作

2024年4月，北京大学现代农业研究院李博生团队和叶文秀团队在《Genomics, Proteomics, and Bioinformatics》（IF=9.5）杂志上发表了一篇综述文章，题为《Opportunities and challenges in advancing plant research with single-cell omics》。

Abstract

植物拥有多样化的细胞类型和复杂的调控机制，以适应自然界不断变化的环境。为了研究细胞类型及其发育过程，已经采用了包括单细胞测序方法在内的各种策略，这些方法提供了高维度的数据目录以解决生物学问题。近年来，转录组学、表观基因组学、蛋白质组学、代谢组学和空间转录组学等单细胞测序技术已经在植物科学中得到了越来越广泛的应用，以揭示单细胞层面的复杂生物关系。然而，由于植物细胞结构的特性所带来的挑战，单细胞技术在植物领域的应用受到了更多的限制。本综述文章概述了单细胞组学技术的最新进展，这些技术在植物系统中的意义和未来的研究应用前景，以及植物系统中单细胞组学所面临的挑战。

KEYWORDS

多组学；单细胞转录组学；空间转录组学；单细胞表观基因组学；单细胞蛋白质组学

单细胞多组学技术在植物研究中的应用及优势

该综述文章详细介绍了植物单细胞分离技术，包括微吸（Micro-pipetting）、光镊（Optical tweezers）、微流控（Microfluidics）、单细胞微孔板（microwell）、分裂池（split-pool）、激光捕获显微切割（LCM）、流式细胞荧光分选技术（FACS）。特别强调了单细胞微流控分离技术在获取高通量异质性细胞类群方面的应用。此外，也对原生质体测序和单细胞核测序在植物中的应用优势进行了比较。原生质体测序能够获取更多的基因中位数，但需要酶解分离，对不易酶解的样本难以获取原生质体，并且酶解过程可能影响细胞基因表达等信息。相比之下，细胞核测序不依赖酶解过程，特别适用于不易酶解的植物样本，且能够实时捕获基因表达信息，但捕获基因数相对较低，且无法获取细胞质中的转录本信息等缺陷。另外，该文还全面阐述了单细胞转录组测序、单细胞表观组、单细胞蛋白质组、单细胞代谢组和空间转录组等技术在植物基因表达、细胞命运决定和发育进程研究中的应用实例。

图1-植物多组学研究流程图，单细胞转录组测序、单细胞ATAC测序(可转座酶可及染色质测序)、空间转录组及空间代谢组在获得特定类群细胞或组织基因表达及代谢信息的应用。

单细胞多组学技术在植物研究中的前景与挑战

该综述文章概述了单细胞组学和空间转录组学在植物研究中的广泛应用前景。其中包含发现新的细胞类型、寻找植物育种分子标记，揭示应激响应基因和其调控网络。单细胞技术与多组学技术的融合为植物细胞生物学研究提供了更加全面和深入的视角。这有望为提高作物产量和解决可持续农业面临的关键问题提供新的思路。同时，文章指出了植物空间生物学目前面临的挑战。这些挑战包括组织切片转移、细胞边界识别以及含水量高的薄壁细胞组织冷冻切片容易破碎等问题。文章还提出了高压冷冻技术(HPF)和使用甲醛固定石蜡包埋组织标本(FFPE)等潜在解决方案。最后，文章强调了这些先进技术对于深化我们对植物发育、生长和应激适应机制的理解，以及推动植物研究和农业进步的重要作用。单细胞技术的不断发展和应用将为植物科学领域带来更多的机遇和突破。

图2-单细胞多组学技术在植物研究领域中的应用，包含单细胞水平基因表达、蛋白丰度、代谢产物水平和植物中的表观遗传修饰等。

在这篇文章中，李博生团队和叶文秀团队深入探讨了单细胞组学技术在植物研究中的应用。随着单细胞测序技术的飞速发展，研究人员能够以前所未有的精度分析复杂多细胞组织中单个细胞或一类细胞的分子和功能异质性。这一技术的突破为植物研究开辟了新的天地，使得研究人员能够更深入地理解植物的生长、发育和响应环境变化的机制。

文中同样也提到了BNKMANU S1000等空间组学技术在植物研究中的价值，能使研究人员能够深入了解复杂生物系统中不同细胞类型的转录网络。通过分析细胞与其环境之间的相互作用，空间组学能够发现新的细胞亚型、确定细胞谱系关系以及识别整个组织和器官内的细胞演变过程【2】。

参考文献：

1.Rhaman,M.S.,Ali,M.,Ye,W.and Li,B.,2024.Opportunities and Challenges in Advancing Plant Researchwith Single-cell Omics.Genomics,Proteomics &Bioinformatics,p.qzae026.

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;120(38):e2310163120. doi:10.1073/pnas.2310163120.

文章来源于BAP BioArt植物