这篇文献研究了毛竹（Phyllostachys edulis）在不同发育阶段的组织解剖及转录组特征。通过对竹子的竹笋组织进行解剖，采用空间转录组测序和单核转录组测序，捕捉了从生长初期到不同发展阶段的细胞表达模式。研究收集了江西农业大学植物设施中的竹笋样本，经过分类后进行组织固定和后续分析。
在空间转录组分析中，共检测到28,015至32,439个基因，发现了4941个在不同组织中表现出显著空间变化的基因，这些基因被用来识别出15个不同的细胞类型聚类，表明竹子在不同发育阶段的组织分化。研究还探讨了与激素相关的基因在不同发育阶段的特定表达模式，揭示了原始形态差异及其与组织形成相关的基因调控网络。
此外，文献中还描述了竹笋顶端分生组织的异质性，指出这一区域内细胞的空间排列和功能特点，特别是慢分裂和非活跃转录的特征。这些发现为理解毛竹发育和生长机制提供了新的视角。总体而言，该研究不仅为竹类植物的发育生物学提供了重要数据，也为未来的基因组学研究和育种工作奠定了基础。
主要结果
毛竹幼芽早期发育的空间和单核转录组测序
这部分研究聚焦于毛竹（Phyllostachys edulis）竹笋早期发育过程中的空间转录组（spatial transcriptome）和单核转录组（single-nucleus transcriptome）测序。研究通过对不同发育阶段的竹笋组织进行采样，成功捕获了竹笋从未分化干细胞向特化组织转变的分子信号。在研究中，分析了三个发育阶段的样本，分别为休眠阶段、萌发阶段和发育阶段。
空间转录组测序覆盖了37,144至37,990个基因，涉及72.9%至74.6%的毛竹基因组总注释基因，分析识别出24种细胞类型或组织聚类，表明在所有三个阶段中，存在不同的分生组织、发育鞘、皮层和维管组织。这些细胞类型的特征表达模式的识别，对区域化基因表达现象进行了探讨，表明相邻细胞之间可能存在标记基因的共表达，这与不同区域的形成和维持相关。
此外，研究还发现关键基因（如KNOXs和PINs）在不同区域的特定表达，揭示了这些基因与维持分生组织身份和细胞分化之间的关系。通过结合空间和单核转录组数据，研究有效识别了影响细胞命运决策的大量基因，并为理解竹类植物在发育和生长过程中的复杂调控机制提供了重要信息。这些发现不仅为后续的竹类生物学研究奠定了基础，也为相关育种工作提供了新的思路和数据支持。
竹笋干细胞群体异质性的研究
在关于毛竹（Phyllostachys edulis）竹笋顶端分生组织细胞群体异质性的研究中，采用单细胞RNA测序（snRNA-seq）技术对冷区（cold zone）和KN1阳性细胞（KN1 +）进行了深入分析。尽管冷区细胞的基因表达量较低，但其表达的基因在与DNA合成、染色质结构的维持、蛋白质合成和降解及基因组完整性相关的功能类群中表现出显著富集，表明这些干细胞在顶端分生组织中起着维持基本细胞活动的重要作用[1]。
具体来说，研究中发现15个MADS-box基因的同源物在毛竹顶端分生组织中表达，其中PH02Gene11089（FUL样基因）在冷区细胞中优先表达。同时，KN1 +和IDD7 +细胞群体中也发现对应的标志基因，这些基因与激素代谢相关。其中，KNOX-1转录因子在边缘区域和细胞分化过程中发挥了重要作用。另外，研究还通过系统发育分析揭示了KNOX同源基因在毛竹中的进化历程，发现这些基因经历了多次基因扩增事件，且与其他单子叶植物的KNOX基因存在相似的表达模式。
从表达模式来看，KN1同源基因不仅在KN1 +细胞中共表达，还在早期发育的髓部（pith）、原维管组织（procambium）和多个基础分生组织中同样被检测到，暗示其在竹笋发育过程中与维持分生组织身份相关联。这种细胞群体的异质性和相关基因的表达模式为进一步研究竹类植物的发育机制和基因调控网络提供了重要线索。
轨迹分析支持前形成组织向维管组织和初级分生组织的分化
这部分主要通过细胞轨迹分析揭示了原维管组织细胞及相关分生细胞向特定细胞类型的分化过程。研究中，选择了包含原维管组织、相关分生细胞以及向筛管（phloem）和木质部（xylem）组织发展的细胞的子集进行分类，共识别出10个细胞群体，支持了6554个基因的特定表达模式。
在轨迹分析中，原维管组织细胞的发育轨迹显示出两条主要的分化路径。其中一条路径表现为从原维管组织细胞开始，经过分生细胞，最终分化为更为专门化的筛管和木质部细胞。在这一过程中，不同阶段表达的基因种类呈现出丰富的功能分类，尤其是与植物激素代谢和响应相关的基因如AP2/EREBP和乙烯信号转导等家族基因，逐步被激活（图3d）。
第二条分化路径则从原维管组织起始，进而演变为基础分生组织，并形成一个具有间隔分生组织特征的离散细胞群体，表现出1024个特定的基因表达模式。这些间隔分生组织细胞的位置邻近基础分生组织（GM），并与之共享多个标志性基因，这表明它们可能来源于共同的干细胞生态位。
此外，沿轨迹路径被激活的基因富集在多个与激素合成、信号转导和响应相关的基因家族及下游转录因子中，这些发现有助于理解原维管组织细胞向间隔分生组织及维管组织的分化机制。总的来看，轨迹分析揭示了细胞分化过程中复杂的基因调控网络，支持了原维管组织细胞向维管组织和间隔分生组织的转变。
在髓和鞘的发展过程中逐步建立基因调控
研究通过细胞命运轨迹分析探索了从KN1+细胞群（聚集区）向髓和原维管组织（procambium）的分化过程。这一轨迹路径揭示了一个连续的发育过程，其中KN1+细胞群、原维管组织和髓细胞相互关联，表明这些细胞在组织切片中的相应位置紧密对齐。
在最早的假时间阶段，KN1+细胞群的细胞构成了轨迹的初始部分，说明在整个发育阶段中，KN1+细胞群维持了干细胞生态位，作为细胞分裂和分化的来源。位于发育轨迹分支点周围的细胞显示出初步分化特征，其关键基因的更广泛表达延伸至分化细胞。例如，细胞色素P450家族的同源基因CYP78A7（PH02Gene20001）在拟南芥的生长顶端中具有特异性表达，这对维管组织的调控起着重要作用，并进一步出现在相邻的髓组织中，从而在干细胞分化过程中发挥调节作用。
此外，研究中使用的Monocle平台进行了不同基因在轨迹路径上的差异表达分析，揭示了2248个基因在这一过程中的动态变化，并通过功能富集分析显示出这些基因与发育相关的功能类别。总体来看，这一研究为理解竹类植物的髓和鞘发育提供了重要的基因调控网络，揭示了细胞分化的复杂机制。
讨论
在讨论部分，研究者探讨了竹类植物在早期发育阶段中，髓（pith）和鞘（sheath）发育过程中的基因调控网络，特别是原维管组织（procambium）细胞的分化及其相关的维管组织形成。通过对KN1+细胞群体的深入分析，识别出2248个与原维管组织和髓组织形成持续分化相关的基因，并将这些基因分为五个不同的聚类，代表沿轨迹的不同表达模式。这些基因主要涉及家族如同源box（homeobox）、阿戈纳特（argonaute）和基本螺旋-环-螺旋（bHLH）转录因子，且在原维管组织形成的路径上表达显著。
此外，植物激素代谢在这一过程中起着重要作用，特别是生长素（auxin）、赤霉素（gibberellin）以及与脂质代谢和auxin响应因子相关的基因的富集显示了植物激素在竹类组织发育中的调控功能。通过比较基因组分析，涵盖16种种子植物，研究揭示了与原维管组织细胞分化和维管组织形成相关的基因调节网络，推动对这些机制的理解，并证明了在不同植物中的相似性和保守性。
总体而言，这部分的研究强调了生长素及其它植物激素在竹类植物发育中的核心作用，同时为进一步探索其复杂的基因调控网络提供了新的视角。
文献来源：
Jing Guo; Dan Luo; Yamao Chen; Fengjiao Li; Jiajia Gong; Fen Yu; Wengen Zhang; Ji Qi; Chunce Guo Spatiotemporal Transcriptome Atlas Reveals Gene Regulatory Patterns during the Organogenesis of the Rapid Growing Bamboo Shoots. New Phytologist 2024, nph.20059, doi:10.1111/nph.20059.
