Dev Cell: 浙江大学樊龙江团队牵头绘制首张水稻种胚单细胞时空图谱
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2024-06-21 21:00
近日，浙江大学樊龙江教授课题组联合华大生命科学研究院等研究团队在国际知名期刊Developmental Cell 发表了题为”Spatiotemporal transcriptomic landscape of rice embryonic cells during seed germination” 的研究论文。该论文利用空间和单细胞转录组测序技术，首次构建了水稻种胚单细胞分辨率的空间转录图谱。该研究利用吸胀24小时的种子构建了至今为止细胞类型最为完整的水稻胚细胞时空图谱。基于构建的胚细胞时空图谱，同时开展了水稻种子萌发过程中不同细胞类型的基因表达以及营养代谢、植物激素传导相关的关键基因通路。该研究为水稻胚细胞类型鉴定提供了重要空间图谱参考信息，为萌发过程不同类型细胞功能的分子生物学研究奠定了基础。
该研究首先建立了水稻种胚单细胞水平的空间转录组分析流程。具体来说，基于切片生成的高清细胞壁染色图像，进行了深度学习模型的训练以实现细胞的自动分割。收集浸水吸胀的水稻种子胚样本进行Stereo-seq空间和单细胞转录组测序，并分别使用划块（Bin50）和细胞分割方法对水稻种胚5个主要解剖区域的细胞类型进行了精细的注释（图1）。该研究定义出14种水稻胚细胞类型，并发现了此前从未报道的盾片细胞类型。结合单细胞测序联合分析鉴定出了每种细胞类型的标记基因及其表达空间位置的微妙差异。
图1 水稻种胚细胞类型两种注释方法（划块和细胞分割）比较
针对营养物质运输的关键区域——盾片，该研究定义了盾片区域5种细胞类型精细的空间分布 （图2）。使用原位杂交验证了盾片表皮（SCL1），盾片表皮-薄壁组织中间层（SCL1-2），以及盾片薄壁组织细胞（SCL2）的关键标记基因及其细胞类型分布；揭示了多种盾片薄壁细胞类型之间潜在的拟时发育关系。为了进一步探索本研究所鉴定的标记基因的特性，研究人员产生了相应的突变体。以SCL2细胞中鉴定到的标记基因OsMFT2为例，通过敲除OsMFT2基因，并进一步通过表型实验观察发现，突变体的萌发率显著高于野生型。此外，通过转录组解卷积分析发现，突变体中SCL2细胞类型的丰度明显降低，进一步说明OsMFT2基因在特异性地盾片薄壁组织中发挥作用。
图2 盾片细胞类型及其关键标记基因的实验验证
通过收集浸水吸胀6、24，36和48小时后的水稻种子胚样本，绘制了不同萌发时间的胚细胞空间转录图谱。时序分析发现随着萌发时间的增加，盾片薄壁细胞（SCL2）和侧鳞（LS）细胞比例呈现显著下降，而胚根（RA）细胞比例显著增加（图3）。同时，该研究还观察到SCL2的细胞标记基因OsMFT2的表达水平随着萌发进程迅速下降，这与突变体萌发表型的实验结果一致。
该研究还系统分析了整个萌发过程中各个细胞类型间植物激素、转录因子（TF）以及重要生理代谢的变化。值得注意的是，在胚乳与胚间营养物质转运中起关键作用的α-淀粉酶和半胱氨酸蛋白家族基因在盾片表皮（SCL1）和盾片表皮-薄壁细胞中间层（SCL1-2）中显示出特异性高表达，并且随着萌发进行表达量逐渐上升。在胚芽和胚根细胞中，几种转录因子（如NAC、LBD、HSF、GATA和C3H）表现出显著逐渐降低的趋势，而其他转录因子（如E2F/DP、CAMTA、ARF和AP2）在整个萌发过程中表现出相反的趋势。与植物激素GA信号传导相关的基因在侧鳞和外胚乳细胞的基因表达水平随着萌发增加而上调，而与ABA生物合成相关的基因在盾片薄壁细胞中显著表达，并且随着萌发进程逐渐下降。
图3萌发过程（6HAI-48HAI）的水稻胚空间图谱，以及细胞比例和关键基因表达模式变化
浙江大学农业与生物技术学院博士生姚洁、研究员褚琴洁、华大生命科学研究院副研究员郭兴、邵雯雯为共同第一作者。浙江大学樊龙江、华大生命科学研究院刘欢为共同通讯作者。华大生命科学研究院徐迅、华南农大储成才、浙江大学邓水光、西南大学徐凡、澳大利亚CSIRO朱乾浩等参与本研究。本研究获得了国家重点研发项目和海南省揭榜挂帅项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.05.016
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