2024-03-19
植物再生和分化中转录组学研究的障碍
新芽器官发生（DNSO）是植物再生的一个重要过程，涉及愈伤组织的形成、多能性的获取以及根和茎原基的后续发育。DNSO背后的细胞和分子过程仍不完全清楚。这种复杂的现象涉及与环境反应整合的复杂的激素信号通路网络协调的转录和代谢重编程。 比如bulk RNA-seq和scRNA-seq等组学技术，通过解剖基因表达网络，为DNSO提供了有独特的见解。但bulk RNA-seq限制了识别细胞异质性的能力，而scRNA-seq由于样品制备过程（如原生质体制备和细胞核的分离和分选）可能会引入显著的转录组改变或分选效率较低。相比之下，新兴的空间转录组学（ST）技术提供了空间基因表达模式的全面视角，并为研究整个组织和器官的动态转录组过程提供了强有力的工具。
番茄愈伤组织芽再生过程中空间转录组图谱的研究 利用ST技术分析了番茄茎部再生过程中整个愈伤组织中单细胞的分子特征。研究结果表明，在愈伤组织中存在高度异质性的细胞群，包括表皮、维管组织、芽原基、内部愈伤组织和生长芽。通过表征芽原基和周围细胞的空间分辨分子特征，确定了芽原基形成所必需的特定因素。值得注意的是，在光合作用相关过程中富集的绿色组织细胞在促进芽原基形成和芽再生中起着至关重要的作用。光通过诱导绿色组织细胞发育和协调糖信号来促进芽再生。这些发现极大的促进了我们对番茄愈伤组织再生的细胞和分子方面的理解，证实了空间转录组学在植物生物学中的巨大潜力。 通过结合组织学图像和拟南芥同源标记基因的表达，文章定义了五种主要的细胞类型：表皮、血管组织、芽原基、生长芽和内愈伤组织。这一注释结果与解剖观察结果密切一致。同时也利用RNA原位杂交技术进一步验证了所选标记基因的空间表达。 图一 番茄愈伤组织细胞图谱 表皮结构主要位于愈伤组织切片的最外层周围（图2C）。通过对表皮结构的亚聚类分析，发现两种主要的亚型，表皮样细胞1和表皮样细胞2，分布在空气和培养基附近的位置。对这些亚型中特异性表达的marker基因功能富集分析显示了不同的分子特征。该研究结果表明番茄愈伤组织的表皮结构在空间上表现出细胞异质性和功能多样性。 图二 番茄愈伤组织的表皮结构 除了吸收营养的表皮细胞外，维管细胞还在愈伤组织内提供营养传递途径和机械支撑作用。在对番茄愈伤组织的观察中，发现了多个具有不同特征的维管组织。这些维管细胞在愈伤组织内形成了一个由多个支链组成的复杂网络，并与生长芽的维管组织相连。同时也在维管细胞中富集到了与维管发育相关的通路，如木质部和韧皮部模式的形成和植物型次生细胞壁的生物发生。这些结果表明，番茄愈伤组织的维管组织形成了一个参与营养代谢和运输的复杂网络。表皮样细胞2与番茄愈伤组织维管组织的功能相似性表明，它们是代谢和运输支持茎再生的必需物质的协调有效系统。 图三 番茄愈伤组织维管组织结构 芽原基细胞是芽祖细胞，发育为未来的顶端分生组织（shoot apical meristem,SAM）和整个芽，是DNSO过程中的重要细胞类型。作者基于芽原基细胞分子水平的转录差异，将其分成了芽原基1、芽原基2和芽原基3三个细胞亚型。这些亚型的RNA速率和伪时间轨迹分析显示，分化沿着茎原基1、茎原基2和茎原基3的谱系转变。三个细胞亚群的高表达基因分别富集到了不同的功能通路。 图四 番茄愈伤组织中的芽原基细胞的空间特征 通过研究光合作用相关基因模块的表达模式发现茎的芽原基被番茄愈伤组织中富含光合作用相关基因的细胞所包围，并将这些细胞定义为绿色组织细胞。已知绿色组织是由光诱导的，本研究发现缺乏光会阻碍番茄DNSO中绿色组织细胞的形成及其潜在的功能。与连续黑暗条件(D)相比，DL 1d条件显著诱导了与叶绿体发育相关的基因的表达。 图五 芽原基周围的绿色组织细胞促进芽再生
总 结 ST技术（如Stereo-seq、10×Visium和BMKMANU S1000）与其他空间组学技术，包括空间代谢组学和空间蛋白质组学，对于实现对复杂生物系统更全面的理解具有巨大的潜力，例如利用质谱成像（MSI）技术将空间转录组谱与空间代谢组学相结合，通过转录组和表位测序（空间CITE-seq）进行空间蛋白质组学研究 本研究成功地证明了ST在番茄愈伤组织枝条再生研究中的应用。这种创新的方法使研究人员能够对复杂生物系统中不同细胞的转录网络获得有价值的见解。通过分析细胞与其环境之间的相互作用，ST能够发现新的细胞亚型，确定细胞谱系关系，并识别整个组织和器官内的动态细胞过程。 空间多组学技术应用和整合，为研究植物复杂的生物过程如生长调控、发育、和对环境的反应中提供一个更全面分子机制参考。该方法可以更全面地了解植物的再生过程，为提高抗性植物的转化效率带有很大的希望。
参考文献 1.Zhang B, Zhang H, Xia Y. Harnessing spatial transcriptomics for advancing plant regeneration research. Trends Plant Sci. 2024 Feb 27:S1360-1385(24)00045-1. doi: 10.1016/j.tplants.2024.02.004. Epub ahead of print. PMID: 38418271. 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 Sep 19;120(38):e2310163120. doi: 10.1073/pnas.2310163120. Epub 2023 Sep 13. PMID: 37703282; PMCID: PMC10515167.
