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科学家绘制水稻根单细胞转录组图谱

  在植物整个生命过程中,根尖不断分化发育,形成的根系从土壤中吸收水分和矿质元素,参与植物与生物或非生物信号的互作,并起到固定植株的作用。但是,人们对植物根系的发育及与环境互作的分子机制还知之甚少。对于根尖这一重要的高异质性器官,传统的高通量测序无法检测不同细胞型的转录组差异。

  12月19日,中国农业科学院生物技术研究所谷晓峰课题组与德国海德堡大学Jan U. Lohmann课题组合作,在《分子植物》在线发表研究论文。该研究对粳稻和籼稻根组织原生质体进行了高通量单细胞转录组测序,绘制了单子叶模式植物水稻首个根组织单细胞分辨率转录组图谱,为研究须根系植物根组织的细胞类型、功能和进化开辟了新的途径。

  研究人员对两个水稻栽培亚种粳稻Nip和籼稻93-11的10,968和12,564个根尖细胞进行了单细胞转录组测序和分析,鉴定出8个细胞型,并利用组织原位杂交和遗传转化实验鉴定了细胞类型特异性标记基因。

  对Nip和93-11每种细胞型差异表达基因进行功能富集分析,发现大多数基因与环境响应有关,不同水稻亚种在受到外部环境刺激时响应机制存在差异。随后对水稻单细胞数据进行拟时分析,绘制了根最外层细胞的发育轨迹。水稻根尖表皮分化是以表皮细胞为起点,到分叉点沿两个方向分化,一个分支最终发育为成熟的表皮细胞,另一个分支经历过渡型表皮细胞后最终分化为根毛细胞。来自两个栽培品种的单细胞轨迹显示高度一致的拟时顺序,表明不同亚种之间发育轨迹的保守性。

  研究人员进一步结合已发表的拟南芥根尖scRNA-seq数据集利用同源基因进行了比对分析,这是首次在单细胞水平进行植物组织器官进化分析,研究比较了拟南芥和水稻主要细胞类型转录组的保守性和特异性,发现拟南芥和水稻大部分细胞类型转录组之间差异较大,只有根毛细胞相关性较高,说明了研究其他不同植物单细胞转录组的重要性。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.12.014


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