BH1000時空成像系統(tǒng)

成像在空間轉(zhuǎn)錄組實(shí)驗(yàn)中的重要作用

空間轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，其核心在于將測序數(shù)據(jù)與精確的成像相結(jié)合。然而，實(shí)踐中我們有時會不自覺地將焦點(diǎn)過度集中在測序數(shù)據(jù)上，而忽略了同樣關(guān)鍵的成像環(huán)節(jié)。在空間轉(zhuǎn)錄組實(shí)驗(yàn)的全過程中，其中有三個關(guān)鍵步驟需要成像：

結(jié)構(gòu)確認(rèn)

在樣本完成質(zhì)檢并合格后，需要對研究的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行確認(rèn)，可以利用BH1000進(jìn)行高清（標(biāo)配高品質(zhì)平場復(fù)消色差物鏡，20×物鏡，數(shù)值孔徑N.A.≥0.8,?同時最多支持拓展4個物鏡）的明場成像來進(jìn)行判斷。

組織優(yōu)化

通過BH1000快速（20X，8mm*8mm,小于50S）得到高清明場圖像與高清的熒光（支持7個熒光通道,各通道有獨(dú)立傳感器，電動切換，標(biāo)配明場、?DAPI、FITC和CY3）成像結(jié)果來選擇最優(yōu)的透化時間（需要選擇熒光最亮且符合相應(yīng)明場結(jié)構(gòu)無明顯逸散的梯度）

基因表達(dá)

可以利用BH1000對明場及熒光掃描過程中經(jīng)常出現(xiàn)的拼接錯誤進(jìn)行校準(zhǔn)（自主研發(fā)BMCHiper軟件，搭配自研半透半返模塊，實(shí)現(xiàn)圖像無錯校準(zhǔn)），得到原片無錯高清的熒光圖像與原片無錯高清的明場圖像，為后續(xù)空間數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的定位和可視化提供基礎(chǔ)，使得復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)能夠轉(zhuǎn)化為最直觀，最精準(zhǔn)的生物學(xué)見解。

BMKMANU BH1000產(chǎn)品

BMKMANU BH1000是專門適配精準(zhǔn)空間組學(xué)BMKMANU S系列產(chǎn)品的成像系統(tǒng)，它不僅可以實(shí)現(xiàn)各類物種及各類玻片標(biāo)本的快速全切片掃描成像，還能能夠滿足百創(chuàng)空間組學(xué)中各個實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的成像需求，更能搭配使用百創(chuàng)細(xì)胞分割算法，結(jié)合其輸出的原片無錯高清明場成像，原片無錯高清熒光成像實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)空間單細(xì)胞分割。

產(chǎn)品參數(shù)

產(chǎn)品優(yōu)勢

用戶友好型界面，可實(shí)現(xiàn)一鍵式操作，自動對焦、自動掃描，圖像質(zhì)量優(yōu)異

50S內(nèi)可完成8mm*8mm 20X掃描，支持掃描25mm*60mm,原片明場及原片熒光成像

多層掃描：支持多景深模式和融合模式

支持多區(qū)域掃描

精準(zhǔn)細(xì)胞分割：內(nèi)嵌圖像校準(zhǔn)模式，可以實(shí)現(xiàn)對圖像進(jìn)行校準(zhǔn)拼接，直接輸出原片無錯圖像

七通道多色熒光

拓展應(yīng)用范圍

這是最早關(guān)于人類免疫學(xué)應(yīng)用的記錄。公元前?400?年，中國可能已有人痘苗接種預(yù)防天花的方法，到?16?世紀(jì)明朝隆慶年間，人痘接種法得到重大改進(jìn)并廣泛應(yīng)用，17?世紀(jì)傳入俄國、朝鮮、日本、土耳其和英國等國家，至18世紀(jì)末結(jié)束經(jīng)驗(yàn)免疫學(xué)時期，隨后免疫學(xué)又經(jīng)歷了經(jīng)典免疫學(xué)時期，近代免疫學(xué)時期，直到1965年/1968年?B細(xì)胞/T細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)開啟了現(xiàn)代免疫學(xué)時期。

隨著免疫學(xué)的逐步發(fā)展，免疫組學(xué)技術(shù)也隨之進(jìn)入了迅速發(fā)展的時期，先后發(fā)展出了標(biāo)記免疫組技術(shù)、免疫組化技術(shù)、Bulk?T/BCR測序技術(shù)以及近幾年興起的單細(xì)胞T/BCR測序技術(shù)，并帶動了相關(guān)科學(xué)的進(jìn)步。

2017年，張澤民院士研究組，通過大規(guī)模單細(xì)胞測序技術(shù)對肝癌相關(guān)T淋巴細(xì)胞進(jìn)行分析，首次在單細(xì)胞水平上描繪肝癌微環(huán)境中免疫細(xì)胞圖譜，發(fā)現(xiàn)了肝癌免疫療法的潛在靶點(diǎn)，也為我們從多角度系統(tǒng)性理解肝癌T淋巴細(xì)胞特征奠定了基礎(chǔ)。（2017，Cell，Landscape of Infiltrating T Cells in Liver Cancer Revealed by Single-Cell Sequencing）

2024年，復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院樊嘉院士和高強(qiáng)教授、中國科學(xué)院上海免疫與感染研究所張曉明研究員、浙江大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院郭國驥教授合作在Science上發(fā)表了題為A blueprint for tumor-infiltrating B cells across human cancers的研究論文，結(jié)合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、 B細(xì)胞受體免疫組庫和表觀基因組的多組學(xué)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)性地刻畫了腫瘤浸潤性B細(xì)胞的異質(zhì)性、動態(tài)分化和表觀調(diào)控機(jī)制。創(chuàng)新地揭示了腫瘤微環(huán)境中廣泛存在的EF應(yīng)答的癌種偏好性、空間定位特征、臨床意義及潛在的誘導(dǎo)調(diào)控機(jī)制。

但是，與逐漸成熟的單細(xì)胞T/BCR測序不同，空間T/BCR測序測序技術(shù)還一直未能有較好的測序技術(shù)產(chǎn)品去做支撐，成果尚少，現(xiàn)有的文章技術(shù)還局限于使用早期的低分辨率轉(zhuǎn)錄芯片為依托。成熟穩(wěn)定且高分辨率的空間T/BCR測序技術(shù)產(chǎn)品的缺乏限制了空間免疫組的研究。

百創(chuàng)空間全長免疫組庫測序技術(shù)?BMKMANU?S3000-VDJ

2024年12月，百邁客生物智能制造以廣受市場好評的亞細(xì)胞級S系列空間轉(zhuǎn)錄組芯片為依托，開發(fā)出了在原片上可同時捕獲3’端轉(zhuǎn)錄組信息以及全長B細(xì)胞受體（BCR）和T細(xì)胞受體（TCR）序列的空間T/BCR測序技術(shù)產(chǎn)品—BMKMANU?S3000-VDJ?，將填補(bǔ)這一技術(shù)產(chǎn)品的缺口。

實(shí)測案例-某腫瘤-百創(chuàng)單細(xì)胞級空間免疫組結(jié)果

BMKMANU?S3000-VDJ?技術(shù)，使用新鮮OCT包埋樣本，在分辨率為3.5μm的芯片上同一張組織切片（10μm）實(shí)現(xiàn)3’端mRNA，以及全長TCR/BCR的捕獲。利用百邁客生物智能制造獨(dú)有的圖像校準(zhǔn)及細(xì)胞分割技術(shù)，得到單細(xì)胞級分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組結(jié)果及單細(xì)胞級分辨率的空間T/BCR數(shù)據(jù)。

BMKMANU?S3000-VDJ??技術(shù)路線

精準(zhǔn)空間細(xì)胞注釋

得到的單細(xì)胞級空間轉(zhuǎn)錄組結(jié)果，可以進(jìn)行常規(guī)的空間轉(zhuǎn)錄組分析，并進(jìn)行精準(zhǔn)的細(xì)胞注釋。

精準(zhǔn)細(xì)胞注釋及T/B細(xì)胞的空間分布

T/B細(xì)胞的亞群定位

對于得到的T細(xì)胞及B細(xì)胞又可以繼續(xù)進(jìn)行詳細(xì)的亞群分類，同時探討亞群之前的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系以及與表型之前的關(guān)系。

T/B Cells 亞群分類，亞群空間分布及亞群發(fā)育軌跡分析

TCR/BCR?空間分布以及豐度分析

TCR和BCR的豐度分析可以揭示免疫反應(yīng)的多樣性和動態(tài)變化。例如，TCR的多樣性在腫瘤進(jìn)展過程中會發(fā)生變化，早期肝癌患者的TCR和BCR均勻性更高，而晚期患者則表現(xiàn)出較低的均勻性。此外，TCR和BCR的豐度變化也可以反映免疫細(xì)胞的激活狀態(tài)和克隆擴(kuò)增情況。

克隆型空間分布以及豐度分析

腫瘤樣本我們可以類比為一處具有復(fù)雜地貌的特殊地理環(huán)境，不同的環(huán)境造就了各種細(xì)胞的不同狀態(tài)，而T/B細(xì)胞在不同的“選擇壓力”下邊進(jìn)行了不同的“適應(yīng)性進(jìn)化”。對不同生態(tài)位的T/B細(xì)胞尤其是TCR/BCR進(jìn)行測定，有助于我們?nèi)ソ沂久庖呒?xì)胞的克隆起源和進(jìn)化過程。例如，通過分析TCR的VDJ重排，可以追蹤T細(xì)胞克隆的起源和擴(kuò)增過程。這種分析有助于理解免疫細(xì)胞在不同生理和病理狀態(tài)下的動態(tài)變化。

百創(chuàng)單細(xì)胞級空間全長免疫組產(chǎn)品?BMKMANU?S3000-VDJ，將幫助科研者解決整個轉(zhuǎn)錄組和組織形態(tài)學(xué)問題，實(shí)現(xiàn)人類腫瘤或其它病變組織中B細(xì)胞和T細(xì)胞克隆的高保真定位和空間譜系追蹤，將在一定程度上促進(jìn)對各種臨床相關(guān)現(xiàn)象（如感染、疫苗接種和癌癥）中淋巴細(xì)胞空間動力學(xué)的理解。

發(fā)布會上，百創(chuàng)智造副總裁劉敏詳細(xì)介紹了百創(chuàng)空間ATAC-Seq技術(shù)原理，產(chǎn)品優(yōu)勢，應(yīng)用場景及實(shí)測數(shù)據(jù)，通過百創(chuàng)獨(dú)有的S系列空間芯片作為底層拓展開發(fā)，實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞級空間ATAC-seq，并表示DEMO數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)1-2周發(fā)布。上海達(dá)澈生物高級產(chǎn)品經(jīng)理王雨琦分享了使用百創(chuàng)空間ATAC-seq得到的實(shí)測數(shù)據(jù)。

百創(chuàng)空間ATAC-seq技術(shù)原理

百創(chuàng)空間ATAC-seq產(chǎn)品優(yōu)勢

01??提供ATAC的空間位置信息

傳統(tǒng)的 ATAC-Seq 技術(shù)雖然能夠揭示染色質(zhì)的開放性，但無法提供細(xì)胞在組織中的空間位置信息。百創(chuàng)空間 ATAC-Seq 技術(shù)，能夠在組織切片上直接進(jìn)行染色質(zhì)可及性分析，保留細(xì)胞的空間信息。

02?解碼基因表達(dá)的空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

百創(chuàng)空間 ATAC-Seq 技術(shù)能夠同時分析基因表達(dá)和基因調(diào)控機(jī)制，為空間生物學(xué)研究增加了新的維度。它可以幫助研究人員在空間維度繪制染色質(zhì)可及性圖譜，揭示基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。

03 多組學(xué)整合：從碎片到全景

空間ATAC-Seq與空間轉(zhuǎn)錄組、空間免疫組、原位熒光等技術(shù)聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)“表觀遺傳-轉(zhuǎn)錄組-驗(yàn)證”的多維數(shù)據(jù)整合。這種一體化策略，可幫助科學(xué)家在發(fā)育研究中構(gòu)建更完整的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，甚至發(fā)現(xiàn)此前未知的關(guān)鍵通路。

百創(chuàng)空間ATAC-seq與百創(chuàng)S3000空間轉(zhuǎn)錄組對齊

百創(chuàng)空間ATAC-seq產(chǎn)品實(shí)測數(shù)據(jù)

小鼠胚胎

小鼠腦

肝臟腫瘤

百創(chuàng)智造自主研發(fā)的”空間ATAC-Seq全流程解決方案”，成功填補(bǔ)空間表觀遺傳學(xué)研究領(lǐng)域的商業(yè)化產(chǎn)品空白。該產(chǎn)品通過整合多維組學(xué)分析框架，突破性實(shí)現(xiàn)了染色質(zhì)開放區(qū)域的三維空間解析，為科研工作者構(gòu)建”時空分辨-基因調(diào)控”研究體系提供關(guān)鍵工具。其創(chuàng)新性技術(shù)方案將深度賦能發(fā)育分化機(jī)制解析、腫瘤免疫微環(huán)境解碼、神經(jīng)退行性疾病研究等重大科學(xué)命題。

未來，百創(chuàng)智造將持續(xù)以技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動行業(yè)發(fā)展，與全球科研伙伴攜手，共同解鎖生命科學(xué)的更多未知奧秘，讓空間生物學(xué)研究從 “單一視角” 邁向 “全景解析” 的新時代！

百邁客生物為該研究提供了百創(chuàng)S1000空間轉(zhuǎn)錄組測序服務(wù)。

單細(xì)胞組學(xué)和時空組學(xué)是近年來生命科學(xué)領(lǐng)域的重要技術(shù)突破，它們在細(xì)胞異質(zhì)性解析、動態(tài)過程研究和細(xì)胞間相互作用分析方面具有重要優(yōu)勢，為生命科學(xué)研究帶來了全新的視角和深度。水稻稻瘟病是世界上發(fā)生嚴(yán)重的真菌病害之一，水稻在面臨稻瘟菌侵染時會激活動態(tài)免疫，因此挖掘水稻特異免疫基因?qū)τ诳沟疚敛【秩局陵P(guān)重要。

該研究對稻瘟菌接種后三個時間點(diǎn)的樣品進(jìn)行了單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測序(圖1A)，同時對接種后的水稻葉片也進(jìn)了時空組測序(圖1B)。

圖1?水稻樣品單細(xì)胞及時空組測序流程圖

對測序獲得的單細(xì)胞數(shù)據(jù)，結(jié)合細(xì)胞特異的標(biāo)志基因，AddModuleScore?軟件和GO富集分析等方法，對水稻的細(xì)胞類型進(jìn)行了分類注釋(圖2A)?；虮磉_(dá)分析發(fā)現(xiàn)，維管細(xì)胞中的原形成層細(xì)胞在稻瘟菌侵染后高度誘導(dǎo)二萜類植保素合成代謝相關(guān)基因的表達(dá)，其中水稻關(guān)鍵植保素momilactone A合成被特異誘導(dǎo)(圖2B)，促進(jìn)了momilactone A在維管組織中積累，可能是抗稻瘟病的關(guān)鍵因素。相反，激素途徑和模式分子激發(fā)的免疫對抗病性貢獻(xiàn)較弱。

圖2?水稻單細(xì)胞測序結(jié)果及差異基因表達(dá)分析

共聚焦顯微鏡觀察結(jié)果顯示，稻瘟菌孢子萌發(fā)后優(yōu)先靶向葉脈入侵，但是水稻的維管組織具有較強(qiáng)的免疫，稻瘟菌菌絲無法進(jìn)一步侵入(圖3A)。時空組測序結(jié)果顯示，富含亮氨酸重復(fù)序列的(NLR)免疫基因的表達(dá)在接種24小時后，葉尖部較葉基部具有更強(qiáng)的積累，表明免疫基因的表達(dá)具有極性的特征。綜上所述，該項(xiàng)研究揭示了水稻在稻瘟病菌侵染時免疫基因存在細(xì)胞特異性和多維(局部和縱向)的表達(dá)模式，為挖掘新的免疫基因提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)(圖3B)。

圖3 ?共聚焦顯微鏡觀察及時空組測序結(jié)果顯示水稻組織存在多維度的免疫

內(nèi)容來源于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，侵刪

自2023年6月，百創(chuàng)時空技術(shù)第一篇文章見刊至今19個月內(nèi)，使用百創(chuàng)時空技術(shù)文章累計(jì)33篇，在線文章平均影響因子12+，涉及哺乳動物（含人鼠）、水生（淡水及海洋）、禽類、兩棲、林木、作物及蔬菜等26個物種，25個組織類型，涵蓋腫瘤研究、疾病機(jī)制、再生、進(jìn)化、發(fā)育、綜述建議及技術(shù)算法等領(lǐng)域。

部分文章展示

1.腫瘤研究

中文題目：整合分子和空間分析揭示原位和侵襲性肢端黑色素瘤的進(jìn)化動態(tài)和腫瘤免疫相互作用

發(fā)表期刊：Cancer Cell

發(fā)表年份：2024

影響因子：48.8

DOI號：10.1016/j.jhazmat.2025.137375

文章采用技術(shù)：BMKMANU S1000、WES、Multi-region sequencing、Bulk RNA seq、10X Chromium、CODEX

樣本類型：人原位黑色素瘤（AMis）和侵襲性黑色素瘤（iAM）的腫瘤組織，相鄰正常皮膚，外周血

文章簡介：

為在空間水平探究 APOE+CD163+ 巨噬細(xì)胞亞群與 EMT 腫瘤細(xì)胞的互相作用，研究人員利用百創(chuàng)S1000空間轉(zhuǎn)錄技術(shù)對10例 AM 樣本進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)（數(shù)據(jù)中能夠明確區(qū)分表皮的基底層、棘層、顆粒層以及汗腺和血管，腫瘤區(qū)域高表達(dá)黑色素基因MLANA、PMEL、TYPR?和 DCT）。

數(shù)據(jù)表明（與單細(xì)胞數(shù)據(jù)聯(lián)合分析）C3 亞型的 EMT 腫瘤細(xì)胞占比高，并且有 APOE+CD163+ 巨噬細(xì)胞的浸潤，巨噬細(xì)胞與 EMT 腫瘤細(xì)胞具有共定位特征。CellChat 互作分析驗(yàn)證了 APOE+CD163+ 巨噬細(xì)胞的高度受體配體互作，與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組結(jié)果高度一致（APOE+/CD163+ 巨噬細(xì)胞是空間中 IGF 通路網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送者（sender）和影響者（Influencer））。使用空間單細(xì)胞蛋白組學(xué)對患者腫瘤免疫微環(huán)境進(jìn)行了深入分析，結(jié)果顯示APOE+CD163+ TAM和EMThigh腫瘤細(xì)胞存在高度相關(guān)的定位，這與空間轉(zhuǎn)錄組的結(jié)果一致。

2.疾病機(jī)制

中文題目：單細(xì)胞RNA測序研究全氟辛酸誘導(dǎo)的小鼠胚胎著床損傷

發(fā)表期刊：Journal of Hazardous Materials

發(fā)表年份：2025

影響因子：12.2

DOI號：https://doi.org/10.1073/pnas.2310163120

文章采用技術(shù)：BMKMANU DG1000、Bulk RNA seq、LC-MS/MS

樣本類型：鼠子宮

文章簡介：

全氟辛酸（PFOA）是一種環(huán)境持久性化學(xué)物質(zhì)，對人類健康構(gòu)成顯著風(fēng)險(xiǎn)。研究表明PFOA會影響女性生殖，但其對子宮內(nèi)膜容受性和潛在機(jī)制的具體影響尚不清楚。

該研究通過小鼠模型，研究了低劑量PFOA暴露對子宮內(nèi)膜容受性的影響。結(jié)果表明，PFOA暴露顯著損害了子宮內(nèi)膜容受性，導(dǎo)致胚胎著床率顯著下降。利用單細(xì)胞RNA測序技術(shù)，研究者全面分析了PFOA破壞子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞功能和發(fā)育的具體機(jī)制。值得注意的是，研究者發(fā)現(xiàn)ANGPTL（血管生成素樣）信號通路失調(diào)，這一通路對于子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞和上皮細(xì)胞之間的通信至關(guān)重要，最終導(dǎo)致胚胎著床失敗。這些發(fā)現(xiàn)為PFOA的生殖毒性提供了新的見解，并強(qiáng)調(diào)了針對環(huán)境污染物相關(guān)不孕癥治療干預(yù)的潛在靶點(diǎn)。

3.再生研究

中文題目：空間轉(zhuǎn)錄組測序揭示番茄愈傷組織芽再生的分子機(jī)制

發(fā)表期刊：PNAS

發(fā)表年份：2023

影響因子：10.1

DOI號：https://doi.org/10.1073/pnas.2310163120

文章采用技術(shù)：BMKMANU S1000、Stereo-seq、10X Visium、10X Chromium

樣本類型：番茄愈傷組織

文章簡介：

該研究首次揭示了番茄愈傷組織內(nèi)部細(xì)胞的異質(zhì)性，并在單細(xì)胞水平上詳細(xì)解析了激素信號和重要調(diào)控因子在各種細(xì)胞和組織中的表達(dá)情況。研究結(jié)果不僅發(fā)現(xiàn)了表皮和芽原基細(xì)胞的亞型和功能，還揭示了綠色組織（chlorenchyma）細(xì)胞在芽原基細(xì)胞位置和分化發(fā)展中的重要作用，以及光照如何通過促進(jìn)綠色組織細(xì)胞的發(fā)育和激活雷帕霉素靶蛋白TOR來推動芽再生過程。

4.綜述建議

中文題目：系統(tǒng)比較基于測序的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法

發(fā)表期刊：Nature Methods

發(fā)表年份：2024

影響因子：36.1

DOI號：?10.1038/s41592-024-02325-3

文章采用技術(shù)：BMKMANU S1000、Stereo-seq、Visium、Slide-seq V2、Salus、DynaSpatial、DBiT-seq、PIXEL-seq、Slide-tag、Curio Seeker、HDST、In situ hybridization

樣本類型：小鼠胚胎（眼球）、成年小鼠大腦（海馬）、小鼠嗅球

文章簡介：

空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（sST）技術(shù)使得在組織水平上測量基因表達(dá)的空間分布成為可能。然而，目前對于不同sST平臺的系統(tǒng)性比較研究還較為缺乏，技術(shù)之間的差異和數(shù)據(jù)集的多樣性給標(biāo)準(zhǔn)化評估指標(biāo)的制定帶來了挑戰(zhàn)。

該研究建立了一套具有明確組織學(xué)結(jié)構(gòu)的參考組織和區(qū)域，并利用這些參考組織生成數(shù)據(jù)，比較了11種sST方法。研究發(fā)現(xiàn)，分子擴(kuò)散是不同方法和組織之間的變量參數(shù)，顯著影響有效分辨率。

此外，空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)展示了單細(xì)胞數(shù)據(jù)所不具備的獨(dú)特屬性，例如增強(qiáng)捕獲模式化稀有細(xì)胞狀態(tài)及其特定標(biāo)記物的能力，盡管這種能力受到測序深度和分辨率等多種因素的影響。該研究為生物學(xué)家選擇sST平臺提供了指導(dǎo)，有助于促進(jìn)評估標(biāo)準(zhǔn)的共識形成，并為未來基準(zhǔn)測試工作建立框架，可作為開發(fā)和評估空間轉(zhuǎn)錄組分析計(jì)算工具的黃金標(biāo)準(zhǔn)。

5.發(fā)育研究

中文題目：組織學(xué)和單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組分析揭示玉米莖葉枕發(fā)育中韌皮纖維細(xì)胞的特化功能和調(diào)控葉片角度的關(guān)鍵因子

發(fā)表期刊：Molecular Plant

發(fā)表年份：2024

影響因子：27.5

DOI號：10.1016/j.molp.2024.05.001

文章采用技術(shù)：BMKMANU DG1000、Bulk RNA seq、Chip-seq、RNA原位雜交、CRISPR/Cas9

樣本類型：玉米莖葉

文章簡介：

葉片角度（Leaf Angle, LA）是影響玉米種植密度和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。然而，調(diào)控葉片角度形成的機(jī)制尚不清楚。該研究通過對不同玉米自交系的莖葉枕區(qū)域進(jìn)行比較組織學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)葉片角度大小顯著受到莖葉枕上表皮韌皮纖維細(xì)胞（SC）的初始伸長和隨后的木質(zhì)化的影響。通過批量和單細(xì)胞核RNA測序，生成了莖葉枕區(qū)域的全面轉(zhuǎn)錄組圖譜，并鑒定了許多可能影響其特化為SC的下皮細(xì)胞富集基因。

此外，研究者功能驗(yàn)證了兩個編碼非典型bHLH轉(zhuǎn)錄因子的基因bHLH30及其同源基因bHLH155，它們在伸長的上表皮細(xì)胞中高表達(dá)。遺傳分析表明，bHLH30和bHLH155正向調(diào)控葉片角度的擴(kuò)張，分子實(shí)驗(yàn)表明它們能夠激活細(xì)胞伸長和SC木質(zhì)化相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。這些發(fā)現(xiàn)突出了莖葉枕上表皮SC在通過限制莖葉枕細(xì)胞的進(jìn)一步延伸和增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度來調(diào)控葉片角度方面的特化功能。莖葉枕區(qū)域的單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組圖譜不僅加深了研究者對葉片角度調(diào)控的理解，還為現(xiàn)代玉米育種中優(yōu)化植物結(jié)構(gòu)提供了許多潛在靶點(diǎn)。

6.技術(shù)算法

中文題目：利用基于膜的邊界定義和提高單細(xì)胞分辨率來提高空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)

發(fā)表期刊：Small Methods

發(fā)表年份：2025

影響因子：15.36

DOI號：?10.1002/smtd.202401056

文章采用技術(shù)：BMKMANU S1000、Stereo-seq、scRNA-seq

樣本類型：小鼠（腦、腸和肝），球墨西哥鈍口螈（腦、腸和肝）

文章簡介：

準(zhǔn)確界定細(xì)胞邊界是空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（Spatial Transcriptomics, ST）的技術(shù)難題。目前常用的方法是基于細(xì)胞核染色或數(shù)學(xué)推導(dǎo)，這些方法要么排除了細(xì)胞質(zhì)，要么只能確定假設(shè)性的邊界。

該研究提出了一種新的細(xì)胞邊界定義方法：利用基因編碼的熒光蛋白對細(xì)胞膜進(jìn)行標(biāo)記，從而能夠在組織切片上精確定位細(xì)胞內(nèi)的測序位點(diǎn)和轉(zhuǎn)錄本。與基于細(xì)胞核的方法相比，這種基于細(xì)胞膜的方法顯著增加了捕獲的基因數(shù)量，小鼠和墨西哥鈍口螈肝臟中基因數(shù)量分別增加了67%和119%。

此外，該方法獲得的表達(dá)譜與單細(xì)胞 RNA 測序（scRNA-seq）數(shù)據(jù)更為一致，顯示出更合理的聚類和明顯的細(xì)胞類型特異性標(biāo)記。該方法還提高了單細(xì)胞分辨率，能夠更好地識別稀有細(xì)胞類型并詳細(xì)解析墨西哥鈍口螈大腦和腸的空間域。除了常規(guī)細(xì)胞外，該方法還能夠準(zhǔn)確識別小鼠肝臟中的多核細(xì)胞和無核細(xì)胞，展示了其分析復(fù)雜組織和器官的能力，這是以往方法無法實(shí)現(xiàn)的。該研究為改善空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)提供了一種強(qiáng)大的工具，具有廣泛應(yīng)用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)科學(xué)的潛力。

7.進(jìn)化研究

中文題目：追蹤空氣鳳梨從陸地到空中生態(tài)位的進(jìn)化和遺傳足跡

發(fā)表期刊：Nature Communications

發(fā)表年份：2024

影響因子：14.919

DOI號：10.1038/s41467-024-53756-7

文章采用技術(shù)：BMKMANU S1000、Stereo-seq、SMART-seq、16S rRNA測序、全基因組重測序、基因組組裝

樣本類型：空氣鳳梨亞科植物

文章簡介：

該研究以鳳梨科的空氣鳳梨亞科為模型植物，探索其起源、進(jìn)化和多樣性。通過基于核轉(zhuǎn)錄組序列的系統(tǒng)發(fā)育樹分析，發(fā)現(xiàn)核心空氣鳳梨起源于約1130萬年前的安第斯山脈。安第斯山脈的地質(zhì)抬升推動了空氣鳳梨向儲水型和空氣型的分化。基因組和轉(zhuǎn)錄組分析揭示了與儲水型和吸收性毛狀體等適應(yīng)性特征相關(guān)的基因變異和丟失。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了空氣鳳梨葉表皮中特定的固氮細(xì)菌群落，可能是其獲取氮素的潛在來源。該研究為理解空氣鳳梨對空中生態(tài)位的適應(yīng)性進(jìn)化提供了多組學(xué)視角。

在短短19個月間，百創(chuàng)時空技術(shù)已在科研領(lǐng)域綻放出耀眼光芒，見刊文章數(shù)量穩(wěn)步增長，影響因子成績斐然，研究范圍橫跨多物種與多組織類型，領(lǐng)域覆蓋更是廣泛而深入。這不僅是對百創(chuàng)時空技術(shù)先進(jìn)性與實(shí)用性的有力證明，也為眾多科研工作者開辟了新的研究路徑。未來，百創(chuàng)時空技術(shù)會持續(xù)創(chuàng)新突破，在更多未知領(lǐng)域開疆拓土，助力科研成果不斷涌現(xiàn)，為推動生命科學(xué)進(jìn)步與技術(shù)革新貢獻(xiàn)更為強(qiáng)大的力量！?

文章標(biāo)題：Spatiotemporal dynamics of early oogenesis in pigs

期刊名稱：Genome Biology

影響因子：10.1

合作單位：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)

發(fā)表日期：2025.01.02

研究方法：單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組（10x Chromium）、空間轉(zhuǎn)錄組（10x Visium）、高分辨率空間轉(zhuǎn)錄組（BMKMANU S1000）、免疫熒光

百邁客生物為該研究中的E65胚胎卵巢提供了BMKMANU S1000空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)服務(wù)。

研究背景

在發(fā)育中的哺乳動物卵巢中，卵泡的位置對其生物學(xué)功能具有重要影響。休眠卵泡主要位于卵巢皮質(zhì)外部，對雌性生育周期長短具有重要影響，而生長卵泡則位于髓質(zhì)區(qū)域，對雌性生育的起始至關(guān)重要。然而，目前對胚胎階段卵巢微環(huán)境形成機(jī)制的理解尚不深入，這主要是由于該過程發(fā)生在胚胎期，涉及多種異質(zhì)細(xì)胞類型的協(xié)同作用。

在小鼠中，原始生殖細(xì)胞從外胚層遷移到生殖脊并在性腺中增殖，隨后在特定時間點(diǎn)沿前后軸異步啟動減數(shù)分裂。最近的研究顯示，這一過程與經(jīng)典的維甲酸信號無關(guān)，而是通過TEX14形成細(xì)胞間橋來實(shí)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了生殖細(xì)胞微環(huán)境在決定其發(fā)育命運(yùn)中的關(guān)鍵作用。

目前對卵巢發(fā)育中卵母細(xì)胞的研究主要集中在基因表達(dá)上，但對卵母細(xì)胞在卵泡發(fā)生過程中的細(xì)微空間定位及主要體細(xì)胞類型的空間動力學(xué)特征了解有限。通過空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)和單細(xì)胞RNA測序技術(shù)，該研究揭示了豬早期卵巢發(fā)育中的皮質(zhì)-髓質(zhì)梯度，并發(fā)現(xiàn)人豬之間卵母細(xì)胞空間定位的保守性，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了卵巢微環(huán)境在決定卵母細(xì)胞命運(yùn)中的重要作用。

材料方法

研究材料：通過人工授精培育妊娠豬（三元雜交：Landrace、Large White和Duroc），分別在受精后45、55、65和75天采集胚胎階段的豬卵巢樣本。

研究方法：scRNA-seq（E45、E55、E65、E75胚胎卵巢，共計(jì)18,956個高質(zhì)量細(xì)胞，10x Genomics Chromium）；空間轉(zhuǎn)錄組（E45、E55、E65、E75胚胎卵巢，10x Visium；E65胚胎卵巢，BMKMANU S1000）

分析方法：空間轉(zhuǎn)錄組解卷積（Cell2location）；RNA速度分析（Velocyto和scVelo）；單細(xì)胞軌跡推斷（Cellrank）；同源基因轉(zhuǎn)化（biomaRt）；細(xì)胞通訊分析（CellphoneDB、biomaRt、ktplots）；蛋白互作分析；GO富集分析；基因模塊分析（Hotspot）

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：免疫熒光；圖像分析和定量分析；Western blotting；卵巢組織體外培養(yǎng)

研究結(jié)果

1.豬早期卵子發(fā)生的單細(xì)胞圖譜的構(gòu)建

為了深入揭示豬卵巢早期卵子發(fā)生的時空發(fā)育特征，研究者將單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）與10× Visium空間轉(zhuǎn)錄組（ST）技術(shù)相結(jié)合，對豬卵巢發(fā)育過程中的細(xì)胞空間屬性進(jìn)行了系統(tǒng)分析。4個發(fā)育時間點(diǎn)（E45、E55、E65和E75；scRNA-seq各包括2個胚胎；ST：E45、E55、E65各包括2個胚胎，E75，1個胚胎），其中包括早期卵子發(fā)生的各階段。保留了18,956個高質(zhì)量細(xì)胞，共鑒定出17個聚類，包含9種主要細(xì)胞類型：生殖細(xì)胞、雙潛能前顆粒細(xì)胞、上皮前顆粒細(xì)胞、性腺間質(zhì)細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、血管周圍細(xì)胞、T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞。

圖1-發(fā)育中的豬卵巢的scRNA-seq

2.豬卵巢空間轉(zhuǎn)錄組的細(xì)胞類型解卷積

為了揭示卵巢發(fā)育過程中不同細(xì)胞類型的空間動態(tài)變化，研究者進(jìn)行了細(xì)胞類型的解卷積分析。盡管scRNA-seq技術(shù)為剖析復(fù)雜組織中的細(xì)胞異質(zhì)性提供了有力工具，但它缺乏細(xì)胞的空間位置信息。因此，研究者采用10× Visium空間轉(zhuǎn)錄組（ST）技術(shù)進(jìn)行測序，以更好地展現(xiàn)豬卵巢發(fā)育過程中不同細(xì)胞類型的空間動態(tài)變化。研究者首先對ST數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量評估，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量符合分析要求。隨后，利用scRNA-seq數(shù)據(jù)作為參考，通過Cell2location算法對ST數(shù)據(jù)進(jìn)行了細(xì)胞類型的解卷積，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞類型的高分辨率定位。

通過解卷積分析，研究者發(fā)現(xiàn)在E45和E55階段，細(xì)胞類型的空間分布相對較為“隨機(jī)”。然而，隨著發(fā)育進(jìn)展到E65階段，研究者觀察到了一個明顯的空間分布模式：生殖細(xì)胞在E45-E55階段隨機(jī)分布在豬卵巢中，而在E65-E75階段則主要定位于皮層區(qū)域，僅有少量位于髓質(zhì)區(qū)域。對于前顆粒細(xì)胞群，我們觀察到了兩種具有不同空間定位模式的細(xì)胞類型：BPG細(xì)胞在E55之前隨機(jī)分布，并逐漸在E75時集中于髓質(zhì)區(qū)域；而EPG細(xì)胞則在整個發(fā)育過程中始終位于卵巢表面。

為進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果，研究者進(jìn)行了全組織染色實(shí)驗(yàn)，使用生殖細(xì)胞標(biāo)志物DDX4和前顆粒細(xì)胞標(biāo)志物KRT19對E45至E75的胎兒卵巢進(jìn)行染色，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與ST數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。此外，研究者還分析了這些陽性細(xì)胞在卵巢背腹軸上的空間分布，并通過熒光強(qiáng)度分析確認(rèn)了生殖細(xì)胞和前顆粒細(xì)胞在皮層和髓質(zhì)區(qū)域的不同分布模式。這些發(fā)現(xiàn)為深入理解豬卵巢發(fā)育過程中細(xì)胞類型的空間動態(tài)變化提供了重要線索。

圖2-基于scRNA-seq數(shù)據(jù)使用Cell2location的ST的解卷積

3.空間尺度解析精細(xì)尺度豬生殖細(xì)胞發(fā)育軌跡

為了深入理解生殖細(xì)胞在空間環(huán)境中的發(fā)育過程，研究者提取了生殖細(xì)胞進(jìn)行重新聚類。通過對生殖細(xì)胞群的精細(xì)分析，研究者發(fā)現(xiàn)了五個對應(yīng)的細(xì)胞簇，分別是有絲分裂生殖細(xì)胞（FGC_mitotic）、表達(dá)MECOM和ATM的前減數(shù)生殖細(xì)胞（Oogonia_STRA8）、表達(dá)SYCP1和DMC1的減數(shù)分裂生殖細(xì)胞（Oogonia_meiotic）、表達(dá)FIGLA和NANOS1的早期卵母細(xì)胞（Pre_oocyte）以及表達(dá)ZP4和ZP3的卵母細(xì)胞（Oocyte）。

為了深入了解早期豬卵母細(xì)胞生成過程中模塊基因的功能富集情況，研究人員采用Hotspot算法，利用生殖細(xì)胞的scRNA-seq數(shù)據(jù)識別了相關(guān)基因模塊，共鑒定出11個功能各異的基因模塊。通過將單個模塊投影到UMAP圖中，確定了具有簇特異性的信息性基因模塊。剖析了早期豬卵母細(xì)胞生成過程中的基因表達(dá)譜后，研究人員進(jìn)一步在空間環(huán)境中研究了這一過程。通過對ST芯片上的生殖細(xì)胞進(jìn)行解卷積，揭示了早期卵母細(xì)胞生成的皮質(zhì)-髓質(zhì)梯度。為了驗(yàn)證上述分析，研究人員使用生殖細(xì)胞標(biāo)記DDX4和減數(shù)分裂生殖細(xì)胞細(xì)線期標(biāo)記γH2AX進(jìn)行了全組織染色實(shí)驗(yàn)，以定位在不同階段啟動減數(shù)程序的生殖細(xì)胞。評估了C-M軸的熒光強(qiáng)度后發(fā)現(xiàn)在E45和E55卵巢中，γH2AX信號沿C-M軸的水平相似，而在E65至E75卵巢中，γH2AX信號在內(nèi)皮層達(dá)到峰值，在髓質(zhì)區(qū)域則減少。

圖3-使用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)（ST）對生殖細(xì)胞空間位置模式的特征化

為了進(jìn)一步驗(yàn)證分析，研究人員還在同一E65卵巢組織上使用了更高分辨率（BMKMANU S1000；Spot點(diǎn)大小約為10微米）的平臺進(jìn)行了ST測序。結(jié)果與E65時的Visium ST解卷積一致，使用S1000平臺在E65時可視化ZP3陽性卵母細(xì)胞的空間位置也證實(shí)了其在內(nèi)皮層的表達(dá)。

圖4-生殖細(xì)胞異質(zhì)性及空間位置模式的特征描述

綜上所述，研究人員成功地在單細(xì)胞分辨率下再現(xiàn)了豬生殖細(xì)胞的發(fā)育過程，并闡明了豬卵巢組織中生殖細(xì)胞的空間分布模式。

4.跨物種分析揭示了豬與人類之間生殖細(xì)胞基因表達(dá)程序及空間位置模式的保守性

為了深入理解哺乳動物卵母細(xì)胞生成的空間調(diào)控機(jī)制，研究人員進(jìn)行了跨物種分析。研究團(tuán)隊(duì)首先獲取了妊娠后19周人類卵巢的空間轉(zhuǎn)錄組（ST）數(shù)據(jù)，并將其與豬E65時期的ST數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，以分析卵母細(xì)胞生成各階段生殖細(xì)胞的空間位置模式。與人類情況一致的是，生殖細(xì)胞標(biāo)記DDX4與5mC和5hmC的共染色顯示，在E55和E75豬卵巢中，5mC和5hmC信號在DDX4陽性細(xì)胞中不可檢測，且主要在周圍性腺體細(xì)胞中表達(dá)。這些結(jié)果進(jìn)一步揭示，除了保守的基因表達(dá)程序外，人類和豬在早期卵母細(xì)胞生成過程中的表觀遺傳重編程模式也是保守的。

為了研究豬和人類早期卵母細(xì)胞生成過程中皮質(zhì)-髓質(zhì)梯度是否保守，研究人員基于ST數(shù)據(jù)探索了卵母細(xì)胞生成各階段生殖細(xì)胞的空間位置模式。對于早期卵母細(xì)胞階段的生殖細(xì)胞，這些細(xì)胞在卵巢內(nèi)皮質(zhì)區(qū)域有清晰定位，而在人類中，這些細(xì)胞主要位于內(nèi)皮質(zhì)和外髓質(zhì)區(qū)域，且在內(nèi)皮質(zhì)區(qū)域豐度更高。到了卵母細(xì)胞階段，豬和人類中這些生殖細(xì)胞的位置模式相似，主要位于外髓質(zhì)區(qū)域。通過評估生殖細(xì)胞到卵巢表面的相對距離（以卵巢寬度標(biāo)準(zhǔn)化），觀察到豬和人類早期卵母細(xì)胞生成過程均顯示出生殖細(xì)胞的皮質(zhì)-髓質(zhì)梯度定位。這些數(shù)據(jù)不僅揭示了豬和人類早期卵母細(xì)胞生成過程中保守的基因表達(dá)程序和表觀遺傳重編程模式，還強(qiáng)調(diào)了兩種物種在整個早期卵母細(xì)胞生成階段空間動態(tài)的保守性。

圖5-豬與人卵巢ST數(shù)據(jù)的跨物種比較分析

5.基于空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（ST）技術(shù)解析豬卵巢發(fā)育過程中兩種顆粒細(xì)胞譜系的時空特性

在發(fā)育中的卵巢中，顆粒細(xì)胞與生殖細(xì)胞相互作用，形成了卵巢的基本功能單位，即卵泡。因此，研究人員接下來提取了顆粒細(xì)胞譜系，并使用UMAP進(jìn)行了細(xì)胞聚類分析，共鑒定出10個細(xì)胞簇。分析了潛在時間基因表達(dá)動態(tài)和顆粒細(xì)胞前體發(fā)育軌跡中wave II型顆粒細(xì)胞（PreGC_II）的命運(yùn)決定。與PreGC_I相比，簇6和7中的基因在PreGC_II命運(yùn)決定中起關(guān)鍵作用，如WNT6、GREM1和SFRP4，這些結(jié)果共同強(qiáng)調(diào)了WNT信號分子在豬顆粒細(xì)胞前體命運(yùn)決定中的保守作用。此外，ALDH1A2的上調(diào)表明，醛脫氫酶家族成員1A2可能在wave II顆粒細(xì)胞發(fā)育中發(fā)揮重要作用。

使用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（ST）技術(shù)對wave I型顆粒細(xì)胞前體（PreGC_I）和wave II型顆粒細(xì)胞前體（PreGC_II）的標(biāo)志性基因進(jìn)行了空間定位。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LHX9（PreGC_I的標(biāo)志）和GREM1（PreGC_II的標(biāo)志）的信號從E45到E75在卵巢中呈現(xiàn)特定的空間分布模式。在E65和E75，GREM1的信號明顯環(huán)繞著DDX4（生殖細(xì)胞的標(biāo)志）的信號，表明卵巢卵泡組裝的早期階段，wave II型顆粒細(xì)胞（來源于皮質(zhì)區(qū)域的顆粒細(xì)胞前體）在卵巢卵泡組裝過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

接下來，研究人員分析了顆粒細(xì)胞譜系的空間特性，進(jìn)行了細(xì)胞類型反卷積，并觀察到卵巢表面上皮（OSE）細(xì)胞群主要位于豬卵巢的表面，并隨著發(fā)育的進(jìn)行細(xì)胞數(shù)量增加。在E45時，I型顆粒細(xì)胞前體（PreGC_I）細(xì)胞廣泛分布在髓質(zhì)中，部分位于皮質(zhì)中；在E65時，觀察到I型顆粒細(xì)胞前體（PreGC_I）和II型顆粒細(xì)胞前體（PreGC_II）分別呈現(xiàn)出特定的皮質(zhì)和髓質(zhì)分布模式。通過免疫熒光分析進(jìn)一步驗(yàn)證了這些發(fā)現(xiàn)，上述結(jié)果共同揭示了豬卵巢發(fā)育過程中顆粒細(xì)胞譜系的空間時間特性。

圖6-使用ST技術(shù)表征前顆粒細(xì)胞的發(fā)育軌跡及其空間定位模式

6.豬卵巢發(fā)育期間主要體細(xì)胞類型的空間特性

除了生殖細(xì)胞和顆粒細(xì)胞外，研究人員還進(jìn)一步以更高分辨率分析了GI（間質(zhì)細(xì)胞）和Sm（平滑肌細(xì)胞）這兩種體細(xì)胞在豬卵巢中的空間分布模式，因?yàn)檫@兩種細(xì)胞類型在豬卵巢中顯示出特征性分布，表明它們可能在塑造卵巢微環(huán)境方面發(fā)揮作用，這對早期卵子發(fā)生至關(guān)重要。

將GI和Sm的標(biāo)記基因整合到空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)中，觀察到這些體細(xì)胞的空間位置隨著從E45到E75的發(fā)育進(jìn)展而發(fā)生變化。通過RNA速度分析確定的分化譜系細(xì)胞和增殖狀態(tài)細(xì)胞在E45和E55時的卵巢中隨機(jī)分布，而在E65時，觀察到這些細(xì)胞在卵巢皮質(zhì)中呈現(xiàn)出明顯的空間聚集模式，特別是在生殖細(xì)胞附近。這些發(fā)現(xiàn)共同揭示了豬卵巢發(fā)育早期體細(xì)胞空間位置模式的動態(tài)變化，表明它們在形成對早期卵子發(fā)生至關(guān)重要的卵巢微環(huán)境中發(fā)揮潛在作用。

圖7-利用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（ST）表征類固醇生成細(xì)胞譜系的異質(zhì)性和空間位置模式

7.空間共定位分析揭示了皮質(zhì)區(qū)和髓質(zhì)區(qū)存在截然不同的微環(huán)境，強(qiáng)調(diào)了其在調(diào)控生殖細(xì)胞命運(yùn)中的關(guān)鍵作用

在闡明了發(fā)育中的豬卵巢中主要細(xì)胞類型的時空特征后，研究人員接下來研究了空間微環(huán)境的變化如何影響發(fā)育中卵巢的細(xì)胞命運(yùn)決定。首先對細(xì)胞類型豐度進(jìn)行了非負(fù)矩陣分解（NMF），以研究發(fā)育中卵巢中細(xì)胞的空間共定位。NMF分解的應(yīng)用成功地表征了位于皮質(zhì)和髓質(zhì)的生殖細(xì)胞niche，并揭示了與不同空間來源的生殖細(xì)胞共定位的體細(xì)胞。為了全面理解細(xì)胞-細(xì)胞通信模式的功能性，研究人員使用CellphoneDB進(jìn)行GO富集分析，識別了不同區(qū)域生殖細(xì)胞與體細(xì)胞之間的配體-受體（L-R）對，發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)和髓質(zhì)區(qū)域之間細(xì)胞-細(xì)胞通信模式的功能富集結(jié)果不同。

此外，研究人員觀察到皮質(zhì)區(qū)域的L-R對顯著富集了NOTCH信號通路，PreGC_ii0和PreGC_ii8表達(dá)NOTCH信號介導(dǎo)因子NOTCH2，而其配體DLK1和JAG1則在向減數(shù)分裂進(jìn)程中的生殖細(xì)胞中表達(dá)，結(jié)果表明NOTCH2在豬早期生殖細(xì)胞命運(yùn)決定中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在髓質(zhì)區(qū)域細(xì)胞-細(xì)胞通信分析揭示了在卵細(xì)胞階段的生殖細(xì)胞表達(dá)了參與原始卵泡組裝的配體，包括BMP4和BDNF，而它們相應(yīng)的受體，包括BMPR1A、BMPR1B和SORT1，則由PreGC i4和PreGC i7表達(dá)。研究人員發(fā)現(xiàn)髓質(zhì)區(qū)域的體細(xì)胞表達(dá)了一系列細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）蛋白，而皮質(zhì)區(qū)域則不是這樣，表明ECM蛋白在調(diào)節(jié)豬卵母細(xì)胞生成中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證細(xì)胞通訊分析，研究人員接下來探討了在使用從E55卵巢皮質(zhì)和髓質(zhì)中分離的卵巢組織進(jìn)行體外條件下，補(bǔ)充NOTCH信號抑制劑DAPT和基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑多西環(huán)素是否會影響生殖細(xì)胞命運(yùn)。從E55胎兒卵巢中解剖出皮質(zhì)和髓質(zhì)組織，將這些組織進(jìn)行體外培養(yǎng)，并在用DAPT處理10天后觀察到皮質(zhì)卵巢組織中減數(shù)分裂標(biāo)志物STRA8的表達(dá)水平顯著降低，而髓質(zhì)卵巢組織則沒有這種情況。相反，在用基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑多西環(huán)素處理10天后，觀察到卵泡形成標(biāo)志物L(fēng)HX8的表達(dá)水平降低，而在皮質(zhì)組織中未觀察到可比的影響。綜上所述，這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步支持了在空間背景下的細(xì)胞-細(xì)胞通訊分析，并強(qiáng)調(diào)了卵巢微環(huán)境在調(diào)節(jié)生殖細(xì)胞命運(yùn)中的重要作用。

圖8-卵巢皮質(zhì)和髓質(zhì)之間細(xì)胞-細(xì)胞通訊模式的比較

研究總結(jié)

綜上所述，該研究基于單細(xì)胞和空間轉(zhuǎn)錄組測序，深入探討了豬早期卵子發(fā)生過程中的時空基因表達(dá)譜和卵巢微環(huán)境的空間組織，以及這些特征在人類中的保守性。這些發(fā)現(xiàn)不僅豐富了我們對豬繁殖性狀形成復(fù)雜機(jī)制的認(rèn)識，還為生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究提供了新的視角和方法。

2025年才過去幾天，百創(chuàng)S系列空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)迎來開門紅！本期我們盤點(diǎn)了6篇2025年應(yīng)用百創(chuàng)S系列空間技術(shù)發(fā)表的時空組學(xué)文章，這些成果發(fā)表期刊有Journal for ImmunoTherapy of Cancer(IF=10.3)、Genome Biology(IF=10.1)、Industrial Crops and Products、BMC Genomics以及預(yù)印本系統(tǒng)bioRxiv。研究的物種涉及人、豬、鱖魚、玉米、蘆葦、榛子等，涉及組織部位主要是腎腫瘤、胚胎卵巢、幽門盲腸、雌穗、雄穗、莖芽、胚珠等。接下來，我們一起來看看2025最新的時空組學(xué)文章吧！

一、人腎透明細(xì)胞癌時空圖譜

英文標(biāo)題：Spatial and single-cell transcriptomics reveal cellular heterogeneity and a novel cancer-promoting Treg cell subset in human clear-cell renal cell carcinoma

發(fā)表期刊：Journal for ImmunoTherapy of Cancer

影響因子：10.3

病例樣本：腎透明細(xì)胞癌患者

測序策略：單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、空間轉(zhuǎn)錄組（BMKMANU S1000細(xì)胞分割）

DOI：10.1136/jitc-2024-010183

發(fā)布時間：2025.01.04

百邁客生物為該研究提供了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和百創(chuàng)S1000空間轉(zhuǎn)錄組（細(xì)胞分割）技術(shù)服務(wù)。

取樣策略：

單細(xì)胞&空間轉(zhuǎn)錄組(細(xì)胞分割)：腎透明細(xì)胞癌患者手術(shù)切除腎腫瘤組織（n=4，P1-P4）

流式細(xì)胞術(shù)、組織化學(xué)染色：腎透明細(xì)胞癌患者PBMC和手術(shù)切除腎腫瘤組織（n=15）

① 透明細(xì)胞腎細(xì)胞癌（ccRCC）是腎細(xì)胞癌（RCC）中最常見的組織學(xué)類型。然而，免疫抑制細(xì)胞的空間和功能異質(zhì)性以及它們相互作用促進(jìn)透明細(xì)胞腎細(xì)胞癌中免疫抑制的機(jī)制尚未得到深入研究。

② 在該研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)了之前未報(bào)道過的間質(zhì)細(xì)胞和免疫細(xì)胞亞群，并以更高的分辨率繪制了它們的空間位置圖。此外，根據(jù)六個特征性基因集（包括上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化高表達(dá)細(xì)胞群、轉(zhuǎn)移細(xì)胞群和近端小管高表達(dá)細(xì)胞群）去除了批次效應(yīng)后，驗(yàn)證了腫瘤細(xì)胞群。

③ 重要的是，該研究鑒定出一種特殊的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg）亞群，該亞群具有終末效應(yīng)Treg細(xì)胞的分子特征，但表達(dá)多種細(xì)胞因子，如白細(xì)胞介素（IL）-1β和IL-18。這組Treg細(xì)胞具有更強(qiáng)的免疫抑制功能，且與透明細(xì)胞腎細(xì)胞癌（ccRCC）隊(duì)列的不良預(yù)后相關(guān)。它們在腫瘤-正常組織交界處與MRC1+FOLR2+腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞（TAMs）共定位，形成一個正反饋循環(huán)，維持協(xié)同的致癌作用。此外，研究人員追蹤了IL-1β+Treg細(xì)胞的起源，并揭示IL-18可通過ERK/NF-κB途徑誘導(dǎo)Treg細(xì)胞中IL-1β的表達(dá)。

圖1-腎透明細(xì)胞癌（ccRCC）細(xì)胞群的整體分析

二、豬早期卵子發(fā)生的時空圖譜

英文標(biāo)題：Spatiotemporal dynamics of early oogenesis in pigs

發(fā)表期刊：Genome Biology

影響因子：10.1

物種樣本：豬

測序策略：單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、空間轉(zhuǎn)錄組（10x Visium、BMKMANU S1000）

DOI：10.1186/s13059-024-03464-8

發(fā)布時間：2025.01.02

百邁客生物為該研究提供了百創(chuàng)S1000空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)服務(wù)。

取樣策略：

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組：豬E45、E55、E65、E75胚胎卵巢（n=2）

空間轉(zhuǎn)錄組：豬E45、E55、E65、E75胚胎卵巢，10x Visium；E65胚胎卵巢，BMKMANU S1000

① 該研究結(jié)合單細(xì)胞RNA測序(scRNA-seq)和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)(ST)來理解時空基因表達(dá)譜，并探索在豬卵子發(fā)生早期卵巢微環(huán)境的空間組織。將卵子發(fā)生不同階段的生殖細(xì)胞簇投射到空間圖譜中，揭示了發(fā)育中的豬卵巢中生殖細(xì)胞的“皮質(zhì)-髓質(zhì)(C-M)”分布。豬和人之間的跨物種分析揭示了在卵子發(fā)生過程中生殖細(xì)胞的保守的C-M分布模式，突出了豬可以作為人類早期卵子發(fā)生過程的理想模型。

② 利用ST進(jìn)行RNA速度分析，確定了豬卵巢皮質(zhì)和髓質(zhì)區(qū)顆粒細(xì)胞系的分子特征和空間動力學(xué)?？臻g共定位分析和細(xì)胞間通訊分析揭示了皮質(zhì)和髓質(zhì)區(qū)域生殖細(xì)胞和體細(xì)胞之間獨(dú)特的細(xì)胞-細(xì)胞通訊模式。

③ 值得注意的是，卵巢組織的體外培養(yǎng)證實(shí)細(xì)胞間NOTCH信號傳導(dǎo)和細(xì)胞外間質(zhì)(ECM)蛋白在啟動減數(shù)分裂和卵子形成程序中起關(guān)鍵作用，突出了卵巢微環(huán)境對于生殖細(xì)胞的命運(yùn)調(diào)控起著重要作用。

圖2-基于scRNA-seq數(shù)據(jù)使用Cell2location的ST的解卷積

圖3-利用S1000平臺對ZP3在E65階段的表達(dá)豐度進(jìn)行精細(xì)可視化分析

三、榛子胚珠時空圖譜

英文標(biāo)題：Obstacles in sugar transportation lead to blank nut formation in hazel (Corylus heterophylla)

發(fā)表期刊：Industrial Crops & Products

影響因子：5.6

物種樣本：榛子

測序策略：空間轉(zhuǎn)錄組(BMKMANU S1000)

DOI：doi.org/10.1016/j.indcrop.2024.120365

發(fā)布時間：2025.01.04

百邁客生物為該研究提供了百創(chuàng)S1000空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)服務(wù)。

取樣策略：

百創(chuàng)S1000空間轉(zhuǎn)錄組：兩個野生型榛子，包括一個大的、發(fā)育中的胚珠（WTL）和一個小的、敗育胚珠（WTs），以及一個從空殼榛子種質(zhì)中分離出來的敗育胚珠。

① 這篇文章研究了榛子栽培中導(dǎo)致產(chǎn)量損失的空殼果形成的潛在分子機(jī)制。向結(jié)正常果的野生型榛子和結(jié)空殼果的空殼果種質(zhì)（BNG）植株的葉片中引入13C，并比較了這兩種類型植株葉片和果實(shí)中的13C豐度。光合作用的13C標(biāo)記產(chǎn)物被迅速運(yùn)輸?shù)桨凸麑?shí)中，胚珠中的δ13C值高于苞片、外殼和薄壁組織。

② 對正常發(fā)育和敗育胚珠進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組測序，鑒定出可能與胚珠敗育相關(guān)的基因。在BNG中，葉片中合成的光合13C產(chǎn)物積累并緩慢向外運(yùn)輸。BNG的外殼、薄壁組織和胚珠中的δ13C值明顯低于對照組，僅占對照組的1.3%~18.7%。根據(jù)每個Spots點(diǎn)基因表達(dá)的相似性，研究人員獲得了六個簇，包括476個不同空間區(qū)域的獨(dú)特差異表達(dá)基因（DEGs）。在這些DEG簇中，只有cluster3的DEG在碳水化合物代謝和運(yùn)輸相關(guān)的生物過程中顯著富集，其中蔗糖合酶（SUS，Cor0134990.1）在這些與碳水化合物代謝相關(guān)的DEG中表達(dá)豐度最高。

③ 根據(jù)序列比對結(jié)果的相似性，研究人員在擬南芥中鑒定了四個SUS（Cor0134990.1）突變體，它們的種子大小明顯小于野生型。除了SUS外，研究人員還鑒定了一些可能調(diào)節(jié)榛子胚珠發(fā)育的重要基因，為揭示空殼榛子的形成機(jī)制提供了新見解。

圖4-高變基因的選擇和Spots聚類

四、全基因組復(fù)制在玉米花發(fā)育進(jìn)化中的時空圖譜

英文標(biāo)題：Cross-species single-nucleus analysis reveals the potential role of whole-genome duplication in the evolution of maize flower development

發(fā)表期刊：BMC Genomics

影響因子：3.5

物種樣本：玉米、高粱

測序策略：單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組、空間轉(zhuǎn)錄組(BMKMANU S1000)

DOI：10.1186/s12864-024-11186-1

發(fā)布時間：2025.01.03

百邁客生物為該研究提供了百創(chuàng)S1000空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)服務(wù)。

取樣策略：

單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組&空間轉(zhuǎn)錄組：玉米雌穗、雄穗、高粱花序組織

① 在該研究中，研究人員為玉米雌穗、雄穗和高粱花序生成了單細(xì)胞核和空間RNA-seq數(shù)據(jù)。通過結(jié)合單細(xì)胞核和空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究人員可以追蹤單細(xì)胞核簇標(biāo)記基因的空間表達(dá)，并將單細(xì)胞核簇映射到空間位置上。這種能力為注釋單細(xì)胞核簇提供了強(qiáng)大的支持。

② 將細(xì)胞簇解析的轉(zhuǎn)錄組比較與基因組比對相結(jié)合，該研究分析表明，玉米雌穗和雄穗花序的多樣性與玉米特有的全基因組復(fù)制事件相關(guān)。以高粱作為外類群，很可能是基因表達(dá)譜的丟失導(dǎo)致了雄穗和雌穗之間的花序多樣性，從而形成了玉米的單性花結(jié)構(gòu)。此外，雄穗中高表達(dá)基因的序列比雌穗中高表達(dá)基因的序列更為保守。

圖5-基于空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)和標(biāo)記基因的玉米雌穗和雄穗的細(xì)胞聚類與細(xì)胞類型鑒定

五、時空圖譜揭示了B染色體在驅(qū)動植物入侵中的作用

英文標(biāo)題：Single-cell and spatial transcriptomics uncover the role of B chromosomes in driving plant invasiveness

發(fā)表期刊：bioRxiv

物種樣本：蘆葦

測序策略：單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、空間轉(zhuǎn)錄組(BMKMANU S3000)

DOI：https://doi.org/10.1101/2024.12.31.630906

發(fā)布時間：2025.01.01

百邁客生物為該研究提供了百創(chuàng)S3000空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)服務(wù)。

取樣策略：

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組：非入侵蘆葦組由根狀莖再生的新形成的芽組織EU 60、EU 78、EU 620；入侵蘆葦組由根狀莖再生的新形成的芽組織NAi nt61、NAi nt113、NAi nt191（每組有3個生物學(xué)重復(fù)）

空間轉(zhuǎn)錄組：入侵蘆葦組由根狀莖再生的新形成的芽組織NAi nt61（n=2，兩個重復(fù)包埋在一起）

① 入侵植物能嚴(yán)重破壞本土生物多樣性，但其成功入侵背后的遺傳機(jī)制仍不甚明了。迄今為止，僅對少數(shù)入侵物種進(jìn)行了基因組學(xué)研究，且尚未應(yīng)用單細(xì)胞水平的研究。

② 該研究探討了普通蘆葦（Phragmites australis）入侵行為的遺傳驅(qū)動因素，這是一種原產(chǎn)于歐洲、后被引入北美并成為入侵物種的耐寒草類。通過整合全基因組測序、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序和空間轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，研究人員構(gòu)建了普通蘆葦莖系統(tǒng)的綜合單細(xì)胞圖譜。UMAP分析在莖系統(tǒng)中鑒定出19個獨(dú)特的細(xì)胞簇。基因本體（GO）富集分析實(shí)現(xiàn)了對關(guān)鍵細(xì)胞類型的注釋，包括葉肉細(xì)胞、表皮細(xì)胞、維管束鞘細(xì)胞和木質(zhì)部細(xì)胞，以及莖尖分生組織和側(cè)生分生組織、腋生分生組織。RNA速度分析揭示了葉肉細(xì)胞的多能性，其中第3簇的葉綠組織細(xì)胞被確定為能夠分化為各種組織的祖細(xì)胞，而第1簇則向通氣組織發(fā)育。

③ 歐洲種群與北美入侵種群之間的比較分析顯示，轉(zhuǎn)錄活性和基因表達(dá)存在顯著差異，尤其是在與莖尖分生組織相關(guān)的細(xì)胞簇中。入侵種群中B染色體的出現(xiàn)頻率更高，且IMPA-3、SSC3和DDE家族核酸內(nèi)切酶基因在近所有細(xì)胞簇中均顯著上調(diào)，尤其是在葉肉細(xì)胞和分生組織區(qū)域附近。作為抗性（R）基因主要受體的IMPA-3的快速突變可能增強(qiáng)了北美入侵種群的適應(yīng)性。這些發(fā)現(xiàn)為理解普通蘆葦入侵性的細(xì)胞發(fā)育和基因組多樣性提供了關(guān)鍵見解，并為制定生態(tài)管理策略提供了寶貴信息。

圖6-對普通蘆葦芽的組織進(jìn)行單細(xì)胞和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究

六、鱖魚感染蛙虹彩病毒后幽門盲囊的時空圖譜

英文標(biāo)題：Dissection of the Global Responses of Mandarin Fish Pyloric Caecum to An Acute Ranavirus (MRV) Infection Reveals the Formation of Serositis and Then Ascites

發(fā)表期刊：bioRxiv

物種樣本：鱖魚

測序策略：單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、空間轉(zhuǎn)錄組(BMKMANU S1000)

DOI：https://doi.org/10.1101/2025.01.02.631049

發(fā)布時間：2025.01.02

百邁客生物為該研究提供了百創(chuàng)S1000空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)服務(wù)。

取樣策略：

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組：接種蛙虹彩病毒（MRV）和PBS 5天后的鱖魚的幽門盲囊組織（n=2）

空間轉(zhuǎn)錄組：感染蛙虹彩病毒（MRV）的鱖魚的幽門盲囊組織

① 鱖魚蛙病毒（MRV）作為大口黑鱸病毒（LMBV）的一種變體，屬于虹彩病毒科蛙病毒屬的一個獨(dú)特成員。急性MRV感染主要影響鱖魚的一個關(guān)鍵內(nèi)臟器官——幽門盲囊，并推測這是導(dǎo)致鱖魚出現(xiàn)嚴(yán)重腹水這一特征性外部臨床癥狀的驅(qū)動因素。

② 該研究揭示，急性MRV感染最初靶向鱖魚幽門盲囊的漿膜層，并迅速發(fā)展為以漿膜肥厚、纖維化、充血、水腫和組織粘連為特征的纖維素性漿膜炎。通過單細(xì)胞RNA測序，研究人員分析了上皮、免疫和間質(zhì)細(xì)胞群的細(xì)胞組成，確定了巨噬細(xì)胞、粒細(xì)胞以及T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞作為急性細(xì)胞因子和炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵介體顯著富集。隨后，有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，MRV攻擊特定的T細(xì)胞和B細(xì)胞免疫細(xì)胞亞群以及成纖維細(xì)胞、肌成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞的間質(zhì)細(xì)胞，導(dǎo)致增生性漿膜區(qū)的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）形成、膠原生物合成和血管重塑相關(guān)基因和途徑的上調(diào)。此外，宿主來源的V型膠原和MRV編碼的膠原均參與肥厚漿膜中ECM的形成。

③ 綜上所述，該研究提供了對鱖魚幽門盲囊對急性MRV感染的全面單細(xì)胞分辨率分析，并強(qiáng)調(diào)了病毒驅(qū)動的漿膜炎是導(dǎo)致鱖魚嚴(yán)重腹水的根本原因。

圖7-受感染幽門盲囊單細(xì)胞的空間位置

文章標(biāo)題：Spatial transcriptome analysis reveals de novo regeneration of poplar roots

發(fā)表期刊：Horticulture Research

合作單位：北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院

研究物種：楊樹

?技術(shù)策略：空間轉(zhuǎn)錄組（BMKMANU?S1000平臺）

楊樹，作為一種廣泛栽培的經(jīng)濟(jì)樹種，以其高效、快速的扦插繁殖方法廣受認(rèn)可。然而，要實(shí)現(xiàn)高效的扦插繁殖，根系的再生能力至關(guān)重要。沒有強(qiáng)大的根再生能力，扦插的枝條將難以成活，進(jìn)而影響到整個種植計(jì)劃的成功。盡管如此，目前關(guān)于根再生的研究主要集中在生長素的調(diào)控作用上，對細(xì)胞分裂素的研究則相對較少。

空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，它能夠在細(xì)胞水平上揭示基因表達(dá)的空間分布情況。這一技術(shù)的出現(xiàn)，為我們理解基因如何在特定的空間背景下調(diào)控生物過程提供了全新的工具。該研究利用這一技術(shù)，構(gòu)建了楊樹根再生過程的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜，并深入探討了細(xì)胞分裂素在根再生中的關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，在楊樹根再生過程中，激素在協(xié)調(diào)植物生長發(fā)育的復(fù)雜過程中起著關(guān)鍵作用，細(xì)胞分裂素響應(yīng)基因的表達(dá)貫穿整個發(fā)育過程。并且這些細(xì)胞分裂素響應(yīng)基因的啟動子中普遍存在生長素響應(yīng)順式作用元件（AuxREs），表明了生長素與細(xì)胞分裂素在調(diào)控根再生過程中的協(xié)同作用。為了更好地理解楊樹根再生過程中細(xì)胞的分化路徑，研究團(tuán)隊(duì)采用了擬時序軌跡分析方法，成功繪制了從形成層細(xì)胞到根原基細(xì)胞的分化路徑，展示了細(xì)胞分化的復(fù)雜性和動態(tài)性。同時，研究還發(fā)現(xiàn)了兩個潛在關(guān)鍵基因SAC56和LOS1，它們有望為未來增強(qiáng)植物根系再生提供新的解決方案和思路。

總的來說，這項(xiàng)研究通過空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，為植物根再生研究提供了新的思路，為我們深入理解植物再生的分子機(jī)制提供了新的視角和啟示。

圖1-建立楊樹根再生的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜

圖2-不定根發(fā)育過程中的空間轉(zhuǎn)錄組分析揭示了激素基因表達(dá)的區(qū)域分布特征

文章標(biāo)題：Tracing the evolutionary and genetic footprints of atmospheric tillandsioids transition from land to air

發(fā)表期刊：Nature Communications

合作單位：浙江大學(xué)農(nóng)學(xué)院

研究物種：空氣鳳梨

百邁客生物為該研究提供了空氣鳳梨根的BMKMANU S1000平臺空間轉(zhuǎn)錄組(細(xì)胞分割)測序與分析工作。

植物可以在沒有根和土壤的情況下生存嗎？答案是“可以”?？諝怿P梨便是一個生動有趣的例證，它們無需根系也能脫離土壤在空中生存。這些神奇的植物屬于鳳梨科空氣鳳梨亞科，以其獨(dú)特的適應(yīng)能力而聞名。它們通過特化的葉片表皮毛替代根系的吸收功能，展現(xiàn)了“器官功能互補(bǔ)”的奇妙現(xiàn)象。

空氣植物的進(jìn)化引發(fā)了幾個值得思考的問題：它們是何時、何地從陸生環(huán)境轉(zhuǎn)向空中棲息地的？是什么驅(qū)動了這一轉(zhuǎn)變？空氣植物失去根部功能的遺傳基礎(chǔ)是什么？葉片上的特殊毛狀體是如何代替根部執(zhí)行吸收功能？最重要的是，它們?nèi)绾卧诳罩协h(huán)境中獲取必需的營養(yǎng)物質(zhì)？

空氣鳳梨

圖1-空氣鳳梨亞科系統(tǒng)發(fā)育樹

1.空氣鳳梨的起源于11.3百萬年前的安第斯山脈

為了追溯空氣鳳梨的起源，研究人員廣泛收集了覆蓋空氣鳳梨亞科（Tillandsioideae）78%屬的植物，利用轉(zhuǎn)錄組測序獲得低拷貝基因的91個核基因，構(gòu)建了空氣鳳梨亞科植物系統(tǒng)發(fā)育樹（圖1）。然后通過祖先重建和分子鐘計(jì)算，發(fā)現(xiàn)核心空氣鳳梨亞科植物起源于11.3百萬年前的安第斯山脈，祖先類型為積水型鳳梨（圖2a）。大約在6百萬年前，安第斯山脈快速隆起，推動了物種的分化，完全大氣生的空氣鳳梨出現(xiàn)，這些植物通常被稱為“air plants”。地球氣候世代的轉(zhuǎn)變也加速了物種的分化（圖2b-c）。

圖2-空氣鳳梨亞科的起源與進(jìn)化動力

2.空氣鳳梨根器官功能退化，僅發(fā)揮“固著”作用的遺傳基礎(chǔ)

空氣鳳梨的根部功能顯著退化，主要僅發(fā)揮機(jī)械“固著”作用或完全缺失。通過基因組和比較基因組分析（圖3a-e），研究人員發(fā)現(xiàn)與根發(fā)育相關(guān)的關(guān)鍵基因（如SCR、WER、TTG1、JKD）在附生鳳梨類群中發(fā)生了快速進(jìn)化，并受到選擇固定（圖3i-j）。與側(cè)根發(fā)育相關(guān)的AR1基因家族則出現(xiàn)顯著收縮。與根系響應(yīng)重力的關(guān)鍵基因ARG1丟失，而負(fù)調(diào)控基因WG2則受到正向選擇。同時，根系對水分響應(yīng)的關(guān)鍵基因EN1也發(fā)生喪失。這些結(jié)果表明，空氣植物的進(jìn)化適應(yīng)增強(qiáng)了它們在大氣生態(tài)位中的生存能力。此外，利用相同的方法，研究人員還找到了空氣鳳梨耐旱的基因組適應(yīng)性進(jìn)化的關(guān)鍵基因（圖3f-g）和積水類型鳳梨蓄水槽形成的關(guān)鍵基因AS1的變異選擇（圖3h）。此外，研究人員通過空間轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，與次生細(xì)胞壁合成相關(guān)的多個基因在根被和皮層組織中表現(xiàn)出快速表達(dá)，為根系在生長過程中迅速木質(zhì)化并發(fā)揮機(jī)械“固著”作用提供了分子基礎(chǔ)(圖4)。

圖3-比較基因組分析揭示空氣鳳梨耐旱、根退化和蓄水槽形成的遺傳基礎(chǔ)

圖4-空間轉(zhuǎn)錄組揭示根系木質(zhì)化機(jī)制

3.特化表皮毛替代根系獲得吸收功能，實(shí)現(xiàn)“器官功能互補(bǔ)”的機(jī)制

隨著根部失去吸收水分和養(yǎng)分的能力，附生鳳梨科植物的葉片表皮中特化的表皮毛進(jìn)化出了吸收功能，代替根系，實(shí)現(xiàn)了“器官功能互補(bǔ)”。這些多細(xì)胞表皮毛由基部活細(xì)胞和死盾形部分組成，表面覆蓋薄層角質(zhì)層，能夠阻止毛細(xì)管流動，這對其吸收功能至關(guān)重要。研究人員通過大規(guī)模比較基因組分析鑒定出與角質(zhì)合成相關(guān)的三個關(guān)鍵串聯(lián)重復(fù)基因——CYP96A15（圖5a）。這三個基因在所有附生鳳梨植物中經(jīng)歷序列變異后被選擇并固定(圖5b)。在原位雜交實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)這些CYP96A15重復(fù)基因在表皮毛的頂端和基部細(xì)胞中特異性表達(dá)(圖5c)，進(jìn)一步表明它們可能在空氣鳳梨表皮毛吸收功能的獲得中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。此外，研究人員還通過空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，鑒定出多個在表皮毛細(xì)胞中特異性表達(dá)的基因，為后續(xù)空氣鳳梨表皮毛的研究提供了新的突破口(圖6)。

圖5-表皮毛獲得吸收功能的關(guān)鍵基因變異選擇

圖6-表皮毛發(fā)育的標(biāo)記基因

4.空氣植物葉際微生物的共進(jìn)化是其養(yǎng)分的主要來源

在解決了水分吸收問題后，另一個對空氣植物生存至關(guān)重要的問題是養(yǎng)分問題。研究人員通過16S rRNA測序和宏基因組分析，發(fā)現(xiàn)空氣鳳梨葉表附生了大量固氮細(xì)菌（圖7a），且這些細(xì)菌具有特異性，特別是1174-901-12屬細(xì)菌，專一性地附生在空氣鳳梨的葉表，并且在細(xì)菌類群中占據(jù)主要地位，可能與空氣鳳梨共進(jìn)化（圖7b-c）。此外，固氮酶nifA和nifH的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了這些細(xì)菌的固氮能力(圖7d)。這些固氮細(xì)菌可能成為空氣植物的主要氮源，尤其在營養(yǎng)匱乏的空中環(huán)境中尤為重要。

圖7-空氣鳳梨葉際固氮細(xì)菌的鑒定與分析

總的來說，這項(xiàng)研究全面系統(tǒng)地揭示了空氣鳳梨植物從陸生到空生的遺傳與進(jìn)化機(jī)制（圖8），為陸生植物進(jìn)化動力和方向研究提供了新思路新見解。

圖8-空氣鳳梨陸生到空生的進(jìn)化歷程圖

BMKMANU S5000正式發(fā)布

隨著百邁客生物在時空組學(xué)領(lǐng)域的不斷探索，在保證具備亞細(xì)胞分辨率的條件下，研究團(tuán)隊(duì)已成功完成了全尺寸場景適配捕獲芯片BMKMANU S5000的研發(fā)與測試。捕獲面積：50mm*60mm；捕獲位點(diǎn)數(shù)：271,939,845；微球直徑：2.5μm；相鄰微球的中心距為3.5μm。該產(chǎn)品的推出大大降低了空間轉(zhuǎn)錄組實(shí)驗(yàn)對樣本尺寸的限制，將更大程度地滿足當(dāng)前科研需求。

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