单细胞转录组测序揭示拟南芥气孔和叶片的系谱轨迹

撰文 | 喜之郎

责编 | 奕梵

单细胞测序（single-cell sequencing）现已成为目前最炙手可热的技术之一。单细胞转录组测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-Seq）在多维度观察单一细胞，揭示细胞异质性和功能，研究发育过程中细胞谱系的演化路径等方面具有重要意义。近年来，在植物科学领域，我国科学家已在scRNA-Seq方面取得重要进展，例如中国科学院分子植物卓越中心王佳伟【1,2】、武汉大学孙蒙祥【3】以及河南大学孙旭武【4】等课题组都曾发表过scRNA-Seq相关的高水平文章，可见这项新兴技术在植物研究中的巨大潜力。

气孔是植物叶表皮细胞通过不对称分裂产生的微小孔隙，在此过程中创造了扁平细胞（pavement cells）和保卫细胞（guard cells）两个细胞类型【5】，保卫细胞参与调节植物的蒸腾作用以及与环境之间的气体交换【6】。然而，气孔谱系发育过程中细胞功能灵活性的具有何种分子机制，以及叶片中细胞命运又是如何决定的目前都尚未知晓。

近日，美国斯坦福大学Dominique C. Bergmann教授课题组在Developmental Cell在线发表了题为Single-cell resolution of lineage trajectories in the Arabidopsis stomatal lineage and developing leaf的研究论文，利用scRNA-Seq技术结合分子遗传学等手段解析了拟南芥叶片组织中不同类型细胞分化的动态模型。

鉴于之前发表的叶片scRNA-seq数据主要为叶肉细胞，研究者利用拟南芥分生组织层ATML1（MERISTEM LAYER 1）启动子驱动报告基因，结合荧光激活细胞分选（fluorescence-activated cell sorting, FACS）和10X Genomics平台的微流控等技术，获得了叶片中更加全面且均衡的细胞类型供后续分析。进一步，研究者使用不同类型细胞中特异表达的基因，定义了维管组织、叶肉和表皮细胞簇，并通过细胞身份和轨迹的比较分析揭示了这些细胞类型的特异性遗传程序以及叶片远/近轴面的极性特征。

为了进一步探究气孔细胞谱系的分化模式，研究者用气孔发育基因TMM（TOO MANY MOUTHS）启动子驱动报告基因，获得了表皮细胞中气孔谱系特异的scRNA-seq数据集。通过对13,000个气孔谱系的细胞进行分析，研究者鉴定到了趋向于气孔命运或之前仅以细胞形态为特征的命运分化轨迹。伪时间轨迹（pseudotime trajectories）表明，气孔的分化并不是通过单一途径而是多条途径实现的。作者推测，特定细胞命运的选择可能是由快速、局部甚至是随机事件导致的，而不是一个量变到质变的过程。

此外，该研究还发现了早期调控细胞发育的转录因子SPEECHLESS（SPCH）在晚期同样发挥作用，它与MUTE和FAMA等其它转录因子协同驱动细胞命运和促进保卫细胞的分化。

Bergmann教授于2000年在美国科罗拉多大学获得分子生物学博士学位，之后进入美国卡内基科学研究所进行博士后研究。目前，Bergmann教授就职于美国斯坦福大学生物学院，主要从事拟南芥气孔发育中细胞不对称分裂的相关工作。

参考文献

1. Zhang T Q, Xu Z G, Shang G D, et al. A Single-Cell RNA Sequencing Profiles the Developmental Landscape of Arabidopsis Root[J]. Molecular Plant, 2019, 12(5).

2. Zhang T Q, Chen Y, Wang J W. A single-cell analysis of the Arabidopsis vegetative shoot apex[J]. Developmental Cell, 2021.

3. Zhou X, Liu Z, Shen K, et al. Cell lineage-specific transcriptome analysis for interpreting cell fate specification of proembryos[J]. Nature Communications, 2020, 11(1):1366.

4. Liu Z, Zhou Y, Guo J, et al. Global Dynamic Molecular Profiles of Stomatal Lineage Cell Development by Single-Cell RNA Sequencing[J]. Molecular Plant, 2020.

5. Lee L R, Wengier D L, Bergmann D C. Cell-type-specific transcriptome and histone modification dynamics during cellular reprogramming in the Arabidopsis stomatal lineage[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116(43):201911400.

6. Am. H, Fi. W. The role of stomata in sensing and driving environmental change[J]. Nature, 2003, 424(6951):901-908.

文章链接：

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(21)00211-2