2024年5月7日，華大生命科學(xué)研究院徐訊團隊在Plant Communications在線發(fā)表了題為A Single-cell transcriptome atlas reveals the trajectory of early cell fate transition during callus induction in Arabidopsis的研究論文。
該研究使用華大智造DNBelab C系列單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組文庫制備平臺（scRNA-seq）和DNBSEQ-Tx超高通量測序平臺構(gòu)建了愈傷組織誘導(dǎo)的詳細(xì)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄圖譜，確定了負(fù)責(zé)啟動早期愈傷組織的細(xì)胞類型：類側(cè)根原基起始（LRPI-like）細(xì)胞和類靜止中心（QC-like）細(xì)胞，重構(gòu)了愈傷組織形成過程中的脫分化軌跡，并推斷出調(diào)控QC-like細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子以及與細(xì)胞命運決定相關(guān)的基因表達(dá)特征，為愈傷組織形成過程中的細(xì)胞命運轉(zhuǎn)變提供了獨特的視角，并提高了對愈傷組織形成及植物細(xì)胞全能性的理解。
在適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)條件下，植物體細(xì)胞保留了再生器官或整個個體的卓越能力。利用植物再生能力開發(fā)的組織培養(yǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于植物增殖、基因編輯和遺傳改良。對于典型的組織培養(yǎng)再生系統(tǒng)，首先將分離的外植體在愈傷組織誘導(dǎo)培養(yǎng)基（CIM）上培養(yǎng)，形成愈傷組織，然后將愈傷組織轉(zhuǎn)移至芽誘導(dǎo)培養(yǎng)基或根誘導(dǎo)培養(yǎng)基來再生新的芽或根組織。在此過程中，體細(xì)胞形成愈傷組織是植物細(xì)胞獲得全能性的關(guān)鍵，也是不定芽或根的從頭再生所必需的。然而，對于許多作物物種來說，愈傷組織的誘導(dǎo)是阻礙遺傳改良研究的瓶頸技術(shù)。因此，闡明植物愈傷組織形成的分子機制非常重要。
該研究對在CIM上誘導(dǎo)0天（CIM0）、1天（CIM1）和4天（CIM4）的擬南芥根外植體進(jìn)行了時間序列單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組實驗。根據(jù)擬南芥根細(xì)胞類型標(biāo)記基因?qū)?xì)胞簇進(jìn)行身份注釋，CIM0中的細(xì)胞簇還保留著根細(xì)胞身份特性，例如側(cè)根冠細(xì)胞，木質(zhì)部極中柱鞘細(xì)胞；CIM1與CIM4中的細(xì)胞簇的細(xì)胞命運開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，部分細(xì)胞簇表現(xiàn)出潛在的多能性獲得特性?？紤]到愈傷組織形成與側(cè)根起始發(fā)育程序類似，并且側(cè)根原基起始基因在細(xì)胞9中顯著富集，于是將細(xì)胞簇 9 注釋為 LRPI-like細(xì)胞。此外，該研究檢測了多能性基因集在每個細(xì)胞簇的表達(dá)得分，以評估細(xì)胞簇的多能性。
研究中觀察到細(xì)胞簇 19 具有最高的多能性得分，表明它代表了高可塑性多能細(xì)胞群，且調(diào)控再生相關(guān)的標(biāo)記基因ENHANCER OF SHOOT REGENERATION 1 (ESR1)，PHABULOSA (PHB)等在細(xì)胞簇19中特異表達(dá)?；诖耍瑢⒓?xì)胞簇 19 注釋為QC-like細(xì)胞。生成的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜揭示了愈傷組織形成過程中巨大的細(xì)胞異質(zhì)性和快速的細(xì)胞命運轉(zhuǎn)變特征。此外，該研究搭建的愈傷組織單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄圖譜的可視化網(wǎng)站（https://db.cngb.org/genebank/arabidopsis/singlecell）為研究植物細(xì)胞全能性及再生機制提供了參考資源。
根愈傷組織單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜
基于每個時間點的細(xì)胞類型身份，該研究構(gòu)建了愈傷組織形成過程中的脫分化軌跡。首先，采用Monocle 3構(gòu)建的全局軌跡預(yù)示LRPI-like細(xì)胞會發(fā)育成QC-like細(xì)胞。然后，通過CytoTrace評估細(xì)胞簇的分化程度，結(jié)果顯示QC-like細(xì)胞的分化程度最低，LRPI-like細(xì)胞處于中間分化狀態(tài)。隨后，通過Monocle 2和scTour重構(gòu)的發(fā)育軌跡均顯示LRPI-like細(xì)胞去分化為具有更高多能特性的QC-like細(xì)胞。QC-like細(xì)胞表現(xiàn)出增強的多能性和一系列調(diào)節(jié)愈傷組織發(fā)育的轉(zhuǎn)錄活性，表明在后續(xù)愈傷組織發(fā)育中具有獨特作用的潛力。
LRPI-like細(xì)胞去分化為具有更高多能特性的QC-like細(xì)胞
此外，該研究通過與側(cè)根形成、下胚軸愈傷組織的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，揭示了QC-like細(xì)胞在愈傷組織形成過程中的獨特作用。研究中構(gòu)建的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了豐富的潛在調(diào)控基因，為進(jìn)一步的功能調(diào)控探索提供了參考基因庫，以提高愈傷組織誘導(dǎo)的效率。
華大生命科學(xué)研究院徐訊研究員和夏科科副研究員為論文通訊作者，華大生命科學(xué)研究院和中國科學(xué)院大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生殷瑞蓮為論文第一作者，華大生命科學(xué)研究院和中國科學(xué)院大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生陳睿穎也參與了該項研究工作。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃(2022YFC3400300)、廣東省基因組讀寫重點實驗室(No. 2017B030301011)、深圳市單細(xì)胞組學(xué)重點實驗室(No. ZDSYS20190902093613831)和廣東省基因組數(shù)據(jù)中心(2021B1212100001)的支持。
截至到5月15日，基于華大智造DNBelab C系列單細(xì)胞平臺發(fā)表的文章數(shù)量累計達(dá)89篇，其中3篇文章發(fā)表于Nature，2篇文章發(fā)表于Cell，IF＞10的文章達(dá)38篇。文章覆蓋了免疫、神經(jīng)、圖譜、腫瘤、發(fā)育等多個領(lǐng)域，其中有11篇使用了DNBelab C系列高通量單細(xì)胞RNA文庫制備試劑盒套裝和高通量單細(xì)胞ATAC文庫制備試劑盒組合產(chǎn)品，有14篇使用了DNBelab C系列單細(xì)胞3’RNA或單細(xì)胞ATAC文庫制備試劑盒和Stereo-seq轉(zhuǎn)錄組產(chǎn)品的聯(lián)合應(yīng)用。
作為生命科學(xué)核心工具提供者，華大智造全面深化單細(xì)胞組學(xué)相關(guān)產(chǎn)品布局，能夠為單細(xì)胞測序全流程提供獨一無二的一站式平臺。具體來看，我們在樣本處理階段提供了一系列解決方案，包括MGIEasy組織保存液、-80℃超低溫自動化生物樣本庫，以及-170℃的自動化液氮存儲系統(tǒng)MGICLab-LN，此外還有50多種組織解離指南。在文庫制備環(huán)節(jié)，我們提供了一系列多組學(xué)建庫試劑盒，如DNBelab C系列高通量單細(xì)胞RNA文庫制備試劑盒套裝、高通量單細(xì)胞ATAC文庫制備試劑盒，同時MGISP-100系列自動化文庫制備系統(tǒng)能夠高效完成每輪1至8個樣本的單細(xì)胞文庫制備。在基因測序產(chǎn)品方面，我們向科研人員提供了MGISEQ-2000、DNBSEQ-T7和DNBSEQ-T20×2等高性能設(shè)備。最后，在數(shù)據(jù)處理方面，我們提供了開源的DNBC4Tools標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理分析包，以支持科研人員的數(shù)據(jù)分析需求。
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