Eencellige transcriptoomsequencing onthult afstammingstrajecten van stoma en bladeren van Arabidopsis

Single-cell sequencing (single-cell sequencing) is nu een van de populairste technologieën geworden. Single-cell RNA-sequencing (scRNA-Seq) is van groot belang bij het observeren van afzonderlijke cellen in meerdere dimensies, het onthullen van cellulaire heterogeniteit en functie, en het bestuderen van de evolutionaire paden van cellijnen tijdens de ontwikkeling.

In de afgelopen jaren hebben Chinese wetenschappers op het gebied van plantenwetenschap belangrijke vooruitgang geboekt in scRNA-Seq, zoals Wang Jiawei van het Centre of Excellence for Molecular Plants van de Chinese Academie van Wetenschappen [1,2], Sun Mengxiang van Wuhan University [3] en Sun Xuwu van Henan University [4] en andere onderzoeksgroepen hebben allemaal artikelen op hoog niveau gepubliceerd met betrekking tot scRNA-Seq, wat het grote potentieel van deze opkomende technologie in plantenonderzoek laat zien.

Huidmondjes zijn kleine poriën die worden geproduceerd door epidermale cellen van plantenbladeren door middel van asymmetrische deling. Tijdens dit proces ontstaan ​​twee celtypes, bestratingscellen en bewakingscellen [5]. Wachtcellen zijn betrokken bij het reguleren van de transpiratie van planten. en gasuitwisseling met de omgeving [6]. De moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan cellulaire functionele flexibiliteit tijdens de ontwikkeling van de stomatale lijn en hoe het lot van cellen in bladeren wordt bepaald, zijn momenteel echter onbekend.

Onlangs publiceerde de onderzoeksgroep van professor Dominique C. Bergmann van Stanford University een onderzoekspaper getiteld Single-cell resolution of lineage trajectories in the Arabidopsis stomatal lineage and development leaf in Developmental Cell, met behulp van scRNA-Seq-technologie in combinatie met moleculaire genetica en andere methoden Een dynamisch model van de differentiatie van verschillende soorten cellen in bladweefsel van Arabidopsis werd opgelost.

Aangezien de eerder gepubliceerde blad-scRNA-seq-gegevens voornamelijk mesofylcellen zijn, gebruikten de onderzoekers de Arabidopsis-meristeemlaag ATML1 (MERISTEM LAYER 1)-promotor om het reportergen aan te sturen, gecombineerd met fluorescentie-geactiveerde celsortering (FACS)) en de microfluïdica van het 10X Genomics-platform om een ​​meer uitgebreid en uitgebalanceerd celtype in bladeren te verkrijgen voor latere analyse.

Verder hebben we met behulp van genen die specifiek tot expressie worden gebracht in verschillende celtypen, clusters van vasculaire, mesofyl- en epidermale cellen gedefinieerd en door vergelijkende analyse van celidentiteiten en -trajecten de specifieke genetische programma's van deze celtypen en bladafstand / nabijheid onthuld. Polaire kenmerken van het axiale vlak. Om de differentiatiepatronen van stomatale cellijnen verder te onderzoeken, gebruikten de onderzoekers de stomatale ontwikkelingsgen TMM (TOO MANY MOUTHS) promotor om een ​​reportergen aan te sturen en verkregen een stomatale lijn-specifieke scRNA-seq dataset in epidermale cellen.

Door 13,000 cellen van stomatale afstamming te analyseren, identificeerden de onderzoekers differentiatietrajecten die neigden naar ofwel stomatale loten of loten die voorheen alleen werden gekenmerkt door celmorfologie. Pseudotime-trajecten laten zien dat stomatale differentiatie niet wordt bereikt door een enkele route, maar door meerdere routes.

De auteurs speculeren dat de keuze van specifieke celbestemmingen kan worden veroorzaakt door snelle, lokale of zelfs willekeurige gebeurtenissen, in plaats van een kwantitatief tot kwalitatief proces. Bovendien vond de studie ook dat de transcriptiefactor SPEECHLESS (SPCH), die de celontwikkeling in het vroege stadium reguleert, ook een rol speelt in het late stadium, en samenwerkt met andere transcriptiefactoren zoals MUTE en FAMA om het lot van de cel te sturen. en bevorderen de differentiatie van wachtcellen.

Professor Bergmann behaalde zijn Ph.D. in Molecular Biology van de Universiteit van Colorado in 2000, en ging daarna naar de Carnegie Institution for Science in de Verenigde Staten voor postdoctoraal onderzoek.

Momenteel werkt professor Bergmann aan de School of Biology, Stanford University, VS, en houdt hij zich voornamelijk bezig met asymmetrische celdeling bij stomatale ontwikkeling van Arabidopsis thaliana.

 

referenties: 1. Zhang TQ, Xu ZG, Shang GD, et al. Een eencellige RNA-sequencing profileert het ontwikkelingslandschap van Arabidopsis Root [J]. Moleculaire Plant, 2019, 12(5).2. Zhang TQ, Chen Y, Wang JW. Een eencellige analyse van de Arabidopsis vegetatieve shoot apex [J]. Ontwikkelingscel, 2021.3. Zhou X, Liu Z, Shen K, et al. Cellijn-specifieke transcriptoomanalyse voor het interpreteren van de specificatie van het cellot van pro-embryo's [J]. Natuurcommunicatie, 2020, 11(1):1366.4. Liu Z, Zhou Y, Guo J, et al. Wereldwijde dynamische moleculaire profielen van de ontwikkeling van huidcellen door middel van single-cell RNA-sequencing [J]. Moleculaire Plant, 2020.5. Lee LR, Wengier DL, Bergmann DC. Celtype-specifieke transcriptoom- en histonmodificatiedynamiek tijdens cellulaire herprogrammering in de stomatale lijn van Arabidopsis [J]. Proceedings van de National Academy of Sciences, 2019, 116(43):201911400.6. Ben. H, Fi. W. De rol van huidmondjes bij het detecteren en stimuleren van veranderingen in de omgeving[J]. Natuur, 2003, 424(6951):901-908.