2024-01-19
单细胞测序(Single-cell sequencing)是在单细胞分辨率下研究细胞异质性及其在微环境中作用的技术，为基础科学研究、药物研发、肿瘤治疗与未来的临床疾病研究提供了强有力的工具。我们发现近几年单细胞的研究不再局限于医学研究领域，该项技术已逐渐在农学动植物研究中展开应用。其中农学动物主要在家畜配子发生、早期胚胎发育的分子机制、肌肉发育和营养代谢调控等领域被广泛应用。在植物科学领域，越来越多从事植物研究的科研工作者，选择单细胞技术进行组织细胞类型鉴定、细胞类型差异、细胞进化与起源等方面的研究。
接下来小派分享派森诺生物参与合作发表的2篇农学领域项目文章的研究思路~
研究背景 肌间刺 (IBs) 是一种矿化的针状体，存在于许多鱼类肌隔中，但不是所有的硬骨鱼物种都有。IBs 通常又小又尖锐，因此限制了鱼的加工方式，如果它卡在消费者的喉咙或嘴里，会造成伤害或创伤，从而影响鱼对许多消费者的吸引力。硬骨鱼 IBs 的发育机制和分子基础目前尚未完全了解，仍有待研究。已有研究证明，IBs起源于肌间隔肌腱的膜内骨化。在哺乳动物中，肌腱祖细胞的成骨分化能力已被确定，但硬骨鱼从肌腱祖细胞到成骨细胞分化的分化模式和分子机制尚不清楚。
研究材料 本研究取 60dpf 野生型斑马鱼的尾肌进行单细胞转录组测序。
研究思路
研究结果 研究通过scRNA-seq获得了 60dpf 野生型斑马鱼 (包含典型IBs型) 尾部肌肉组织共13075个细胞，鉴定了18个细胞群（图 A）。研究者使用 monocle2对肌腱祖细胞、成熟肌腱细胞、分化肌腱细胞和成骨细胞进行了拟时序分析，研究IBs相关成骨细胞的起源，富集分析显示多个成骨细胞簇基因 (id2a、thbs1b、nog3、nog2、 tgfb3) 在TGF-β/BMP信号通路中富集。对不同分化轨迹的表达模式的分析确定了10个参与IBs形成的关键候选基因 (runx2a, runx2b, sost, bmp2a, scpp1, spp1, entpd5a, entpd5b, sox11b 和 ccn4b)（图 B）。为了进一步确 定调控 IBs 形成的关键基因，利用 CRISPR-Cas9 发现，runx2b-/- 突变体的 runx2b 蛋白和 IBs 表型与野生型有显著差异。显微 CT 扫描和骨组织染色也显示突变体中 IBs 完全消失（图 C）。随后，对 60dpf 的 runx2b+/+ 和 runx2b-/- 斑马鱼的IBs组织进行了scRNA-seq，发现突变体中，成骨细胞几乎消失，肌腱细胞亚群与总细胞数相比的百分比也出现了不同程度的下降。且runx2b+/+ 和 runx2b-/- 成骨细胞簇之间的差异表达基因在TGF-β/BMP通路中显著富集（图 D）。进一步阐明了runx2b对成骨细胞分化和IBs形成的促进作用。
研究背景 萜类化合物是一类多样化的代谢产物，自然存在的萜类化合物超过50000种。植物在应对不同环境时会合成不同的萜类化合物，一些特殊的萜类化合物在传粉、种子传播和防御等过程中发挥重要的作用，它们的合成发生在植物的特定器官。腺体存在于棉花的叶片、茎和种子中，负责积累各种非挥发性萜类化合物（例如棉酚），这些萜类化合物的合成源于甲羟戊酸途径（mevalonate (MVA) pathway）。为了抵御植食性昆虫的侵袭，棉花叶片释放复杂的挥发性萜类。尽管一些研究已经报道了萜类化合物合成酶和转录调控因子的鉴定，然而不同萜类化合物的时空调控仍然缺乏清晰的认识。
研究材料 发育15天的棉花真叶（水培），解离原生质体。
研究思路
研究结果 作 者 通 过 scRNA-seq 获 得 了 发 育 15 天 的 棉 花 真 叶 组 织 22163 个 高 质 量 细 胞。通 过 聚 类 分 群 得 到 14 个 clusters，通过 marker 基因注释和原位杂交验证鉴定到 6 种细胞类型：分别是叶肉细胞（MCs）、表皮细胞（ECs）、 保卫细胞（GCs）、维管束细胞（VCs）、增殖细胞（PCs）和分泌型腺体细胞（SGCs）（图 A）。结果显示：分泌型腺体细胞特异表达棉酚合成途径、上游甲羟戊酸途径（MVA）、挥发性单萜和倍半萜合成的萜类合酶等编码基因（图 B、D）。结合结合单细胞和多组织转录组数据，精确鉴定到了两个新的、特异表达在腺体细胞中的转录因子GoHSFA4a和GoNAC42（图 C）。进一步通过顺式作用元件预测、双荧光素酶、EMSA 和酵母单杂交实验表明GoHSFA4a 和 GoNAC42 通过激活特定的棉酚合成和 MVA 途径基因，从而调节棉酚型代谢物的生物合成。
派森诺单细胞平台在农学研究方向上具有丰富的项目经验，涉及到的样本类型十分广泛，包含水产生物、家禽家畜、经济作物、 经济树种等，为您的国自然项目保驾护航！
