植物是分层组织的复杂系统，由各种细胞类型组成，单细胞RNA测序 （scRNA-seq）已成为在细胞水平上揭示高分辨率基因表达模式和研究细胞类型异质性的强大工具。此外，植物生物系统的 scRNA-seq 分析具有巨大的潜力，为植物生物系统设计和合成生物学提供信息，其旨在通过基因组编辑、工程或基于合理设计的重写来对植物进行遗传/表观遗传学改造，以提高作物产量和质量，促进生物经济和增强环境可持续性。具体来说，来自 scRNA-seq 研究的数据可用于促进高精度构建-设计-测试-学习功能的开发，以最大限度地提高工程植物生物系统的目标性能，同时最大限度地减少意外的副作用。迄今为止，scRNA-seq 已在有限数量的植物物种中得到验证，包括模式植物（例如拟南芥）、农作物（例如水稻）和生物能源作物（例如杨属）。预计未来的技术进步将降低 scRNA-seq 的成本，从而加速这项新兴技术在植物中的应用。
Figure 1 Conceptual workflow of single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq).
在植物中，已经使用来自各种物种的根、叶、芽顶端分生组织、茎和花序的原生质体和细胞核进行了 scRNA-seq 实验。与基于原生质体的 scRNA-seq 方法相比，细胞核分离理论上可以分离复杂的细胞类型，包括对细胞降解酶敏感的细胞类型，从而可能产生更高的细胞类型多样。然而，将细胞核样本用于 scRNA-seq 可能会错过细胞质 RNA 的宝贵信息。微流控平台是单细胞分离、分离和分析的主要工作流程。为确保最佳性能，原生质体或细胞核悬浮液由解离良好、完整的原生质体/细胞核组成，不含任何细胞碎片。或者，可以使用荧光激活细胞分选（FACS） 分离和纯化细胞核，以应对细胞壁酶消化带来的挑战。物 scRNA-seq 原生质体和细胞核之间的选择取决于具体的研究目标、植物种类以及转录组覆盖率、空间信息和技术可行性之间的权衡。
植物scRNA-seq研究中应用了多种文库制备方法，其中10x Genomics系统被广泛用于构建不同植物物种的scRNA-seq文库。除了常用的 10x Genomics 系统外，其他文库构建方法，例如，Nextera XT DNA 文库制备试剂盒 （Illumina）、BD Rhapsody系统也在植物中显示出 scRNA-seq 的巨大潜力。使用各种方法构建的 scRNA-seq 文库已使用 Illumina 测序技术（如 HiSeq、NextSeq 和 NovaSeq）进行测序。
scRNA-seq 实验会产生复杂的高维数据，需要专门的管道进行分析和解。scRNA-seq 数据分析涉及多个步骤，包括预处理、比对（或映射）、质量控制、归一化、填补、降维、整合、聚类、差异基因表达和功能分析。
植物系统生物学是一个跨学科领域，它使用计算和实验方法来研究复杂的植物生物系统，重点是了解系统的各个组成部分如何相互作用并促进系统的整体行。分析植物细胞的转录组，追踪它们在植物细胞不同发育阶段的动态变化，并阐明它们如何响应环境胁迫，可以揭示细胞水平的发育和胁迫反应机制。scRNA-seq 是研究细胞特异性转录组学的强大工具。迄今为止，已经进行了 scRNA-seq 实验，以揭示各种类型植物组织中细胞类型的详细图谱。scRNA-seq 也用于研究非生物胁迫如何改变植物中细胞类型特异性基因表达。例如，在热应激下对拟南芥幼苗的 scRNA-seq 分析表明，虽然热响应表达在细胞类型中以经典热休克基因为主，但其他基因的表达在细胞类型之间存在细微但实质性的差异。scRNA-seq 还被用于研究植物对细菌和真菌病原体以及昆虫引起的生物胁迫的反应。例如，最近的一项研究使用 scRNA-seq 来分析感染细菌病原体丁香假单胞菌的拟南芥叶组织的转录组，并揭示了在免疫、过渡和易感状态下表现出转录反应的不同病原体反应细胞簇，为了解疾病进展的分子机制提供了见解 。scRNA-seq 在揭示植物细胞命运决定的分子机制方面也具有巨大潜力。例如，最近的一项研究使用 scRNA-seq 来分析毛棉 4 个发育阶段胚珠外皮中的基因表达，并确定 2 个转录因子（MYB25 样和 HOX3）分别是纤维分化和尖端偏向弥漫生长的关键参与者。
植物合成生物学是一个快速发展的领域，有助于设计和创造新的植物性。植物合成生物学具有彻底改变农业、改善生态系统可持续性和促进植物整体健康的潜力，是一个令人兴奋的研究领域，有望以多种方式造福社会。通过理解植物生物系统错综复杂的细胞动力学，可以在细胞水平上执行精确的生物设计。为了最大限度地减少植物生物设计中的不良多效性影响，需要细胞类型特异性启动子在细胞类型水平上对基因表达进行精确的空间控制。细胞类型特异性启动子已广泛应用于植物基因工程。具体来说，细胞类型特异性启动子可以基于基因上游的 DNA 序列（例如，顺式元件）设计，这些序列在植物中显示细胞类型特异性基因表达，如 scRNA-seq 分析所示。这些启动子可用于实现细胞类型特异性基因调控（例如，过表达和下调）或基因编辑，以设计靶向性状（例如，细胞型特异性代谢和细胞型发育），同时避免或尽量减少对非靶向性状的影响。细胞类型特异性启动子的鉴定通常需要在细胞水平上进行基因表达谱分。scRNA-seq 允许鉴定细胞类型特异性基因表达，为克隆或重新设计细胞类型特异性启动子提供基因组信息 。
scRNA-seq 已成为一项突破性技术，在植物系统生物学和合成生物学中具有广泛的应用。随着 scRNA-seq 在世界范围内植物系统生物学和合成生物学研究中的应用迅速扩展，迫切需要跨不同实验室和植物物种的 scRNA-seq 过程标准化，包括样本制备、文库构建、测序和数据分析。已经开始努力生成标准的 scRNA-seq 过程。开发标准化方案和质量控制措施将确保 scRNA-seq 数据的可重复性和可比性，从而实现更稳健的分析和可靠的结论。另一个有前途的方向是将 scRNA-seq 与其他组学技术相结合，正如最近一份关于 scRNA-seq 和 ChIP-seq/ATAC-seq 整合以在Z. mays 中构建转录网络的报告所证明的那样。
未来，scRNA-seq 将通过生成高分辨率基因表达数据来增强植物合成生物学的设计-构建-测试-学习（DBTL）能力，从而在推进植物合成生物学方面发挥重要作用，如图2。它将为细胞水平的生物过程和基因表达调控提供前所未有的新见解，可用于提高植物基因工程的效率、可预测性和稳定性。研究人员可以通过利用 scRNA-seq 数据来设计合成基因组或减小基因组大小，从而为合成生物学应用解锁新的可能性。可以利用机器学习辅助对 scRNA-seq 数据的分析来深入了解单个基因的功能作用及其相互作用，从而能够为特定应用设计更精确、更高效的合成基因组。
原文链接
