GPB | 單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)植物領(lǐng)域研究再添新作

2024年4月，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院李博生團(tuán)隊(duì)和葉文秀團(tuán)隊(duì)在《Genomics, Proteomics, and Bioinformatics》（IF=9.5）雜志上發(fā)表了一篇綜述文章，題為《Opportunities and challenges in advancing plant research with single-cell omics》。

Abstract

植物擁有多樣化的細(xì)胞類型和復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制，以適應(yīng)自然界不斷變化的環(huán)境。為了研究細(xì)胞類型及其發(fā)育過(guò)程，已經(jīng)采用了包括單細(xì)胞測(cè)序方法在內(nèi)的各種策略，這些方法提供了高維度的數(shù)據(jù)目錄以解決生物學(xué)問(wèn)題。近年來(lái)，轉(zhuǎn)錄組學(xué)、表觀基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)等單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)已經(jīng)在植物科學(xué)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，以揭示單細(xì)胞層面的復(fù)雜生物關(guān)系。然而，由于植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的特性所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，單細(xì)胞技術(shù)在植物領(lǐng)域的應(yīng)用受到了更多的限制。本綜述文章概述了單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)的最新進(jìn)展，這些技術(shù)在植物系統(tǒng)中的意義和未來(lái)的研究應(yīng)用前景，以及植物系統(tǒng)中單細(xì)胞組學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)。

KEYWORDS

多組學(xué)；單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)；空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)；單細(xì)胞表觀基因組學(xué)；單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)

單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)在植物研究中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

該綜述文章詳細(xì)介紹了植物單細(xì)胞分離技術(shù)，包括微吸（Micro-pipetting）、光鑷（Optical tweezers）、微流控（Microfluidics）、單細(xì)胞微孔板（microwell）、分裂池（split-pool）、激光捕獲顯微切割（LCM）、流式細(xì)胞熒光分選技術(shù)（FACS）。特別強(qiáng)調(diào)了單細(xì)胞微流控分離技術(shù)在獲取高通量異質(zhì)性細(xì)胞類群方面的應(yīng)用。此外，也對(duì)原生質(zhì)體測(cè)序和單細(xì)胞核測(cè)序在植物中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了比較。原生質(zhì)體測(cè)序能夠獲取更多的基因中位數(shù)，但需要酶解分離，對(duì)不易酶解的樣本難以獲取原生質(zhì)體，并且酶解過(guò)程可能影響細(xì)胞基因表達(dá)等信息。相比之下，細(xì)胞核測(cè)序不依賴酶解過(guò)程，特別適用于不易酶解的植物樣本，且能夠?qū)崟r(shí)捕獲基因表達(dá)信息，但捕獲基因數(shù)相對(duì)較低，且無(wú)法獲取細(xì)胞質(zhì)中的轉(zhuǎn)錄本信息等缺陷。另外，該文還全面闡述了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、單細(xì)胞表觀組、單細(xì)胞蛋白質(zhì)組、單細(xì)胞代謝組和空間轉(zhuǎn)錄組等技術(shù)在植物基因表達(dá)、細(xì)胞命運(yùn)決定和發(fā)育進(jìn)程研究中的應(yīng)用實(shí)例。

單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)在植物研究中的前景與挑戰(zhàn)

該綜述文章概述了單細(xì)胞組學(xué)和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)在植物研究中的廣泛應(yīng)用前景。其中包含發(fā)現(xiàn)新的細(xì)胞類型、尋找植物育種分子標(biāo)記，揭示應(yīng)激響應(yīng)基因和其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。單細(xì)胞技術(shù)與多組學(xué)技術(shù)的融合為植物細(xì)胞生物學(xué)研究提供了更加全面和深入的視角。這有望為提高作物產(chǎn)量和解決可持續(xù)農(nóng)業(yè)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題提供新的思路。同時(shí)，文章指出了植物空間生物學(xué)目前面臨的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括組織切片轉(zhuǎn)移、細(xì)胞邊界識(shí)別以及含水量高的薄壁細(xì)胞組織冷凍切片容易破碎等問(wèn)題。文章還提出了高壓冷凍技術(shù)(HPF)和使用甲醛固定石蠟包埋組織標(biāo)本(FFPE)等潛在解決方案。最后，文章強(qiáng)調(diào)了這些先進(jìn)技術(shù)對(duì)于深化我們對(duì)植物發(fā)育、生長(zhǎng)和應(yīng)激適應(yīng)機(jī)制的理解，以及推動(dòng)植物研究和農(nóng)業(yè)進(jìn)步的重要作用。單細(xì)胞技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用將為植物科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)更多的機(jī)遇和突破。

在這篇文章中，李博生團(tuán)隊(duì)和葉文秀團(tuán)隊(duì)深入探討了單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)在植物研究中的應(yīng)用。隨著單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展，研究人員能夠以前所未有的精度分析復(fù)雜多細(xì)胞組織中單個(gè)細(xì)胞或一類細(xì)胞的分子和功能異質(zhì)性。這一技術(shù)的突破為植物研究開(kāi)辟了新的天地，使得研究人員能夠更深入地理解植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和響應(yīng)環(huán)境變化的機(jī)制。

文中同樣也提到了BNKMANU?S1000等空間組學(xué)技術(shù)在植物研究中的價(jià)值，能使研究人員能夠深入了解復(fù)雜生物系統(tǒng)中不同細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)分析細(xì)胞與其環(huán)境之間的相互作用，空間組學(xué)能夠發(fā)現(xiàn)新的細(xì)胞亞型、確定細(xì)胞譜系關(guān)系以及識(shí)別整個(gè)組織和器官內(nèi)的細(xì)胞演變過(guò)程【2】。

參考文獻(xiàn)：

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.

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