Genome Res | 单细胞转录组解析浮萍可以半水生的原因
学术
科学
2024-07-06 10:50
湖北
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在植物界中，单细胞藻类或水生植物，经常作为模式物种，用于探究细胞-水的互作以及昼-夜周期响应。近期，来自德国图宾根大学的研究人员使用水生浮萍Wolffia australiana作为研究对象，展示了植物体同时响应昼-夜和水上-水下变化的转录组全局景观，从整个植物水平来理解在特定情境下细胞表达动态，相关研究成果发表在Genome Research杂志上。研究人员首先根据Wolffia australiana的细胞学和形态学特征，优化原生质体分离方法（图1），成功获取了有角质层细胞（对浮萍的水上生长即为重要）存在的原生质体用于单细胞转录组测序。![]()
图1. Wolffia australiana的形态学特征
正常生长状态下的Wolffia australiana细胞可分为四个主要细胞簇，分别代表位于水上和水下的薄壁组织和表皮细胞。转录组特征显示，Wolffia australiana位于水下环境的细胞具有独特的转录组特征，可以解释其适应性（图2）。研究人员进一步使用PHYTOMap技术，在不破坏样品的前提下，对细胞簇中的标记基因进行了验证。其中，研究人员证明，在Wolffia australiana中参与角质层细胞发育的基因发生功能分化，使特定的角质层细胞为Wolffia australiana提供了漂浮水生的能力（图3）。![]()
图2.UMAP解析Wolffia Australiana的单细胞特征
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图3.基于PHYTOMap技术的单细胞标记基因成像
接着，研究人员深入研究了Wolffia australiana细胞响应光-昼交替（生物钟）的转录组特征。研究人员分析了假定黎明（dawn）及假定黄昏（dusk）条件下的转录组数据（图4）。![]()
图4. 黎明（dawn）及黄昏（dusk）条件下的单细胞UMAP图谱
研究人员从中发现了未被报道过的生物钟相关基因，并证明了核心昼夜节律机制及其下游响应在特定细胞中可以以不同的方式产生变化。而这种特定的响应变化，即不同细胞类型及其对水上-水下和昼-夜响应之间的区别，可仅仅由76个基因来调控，表明Wolffia australiana这种基础生物，其大部分基因都致力于满足基础的细胞学发育进程（图5）。![]()
图5.同一基因在调控Wolffia australiana昼-夜响应和水上-水下生长中产生不同作用的典型图片
单细胞基因组学为人们解析分子和细胞动态提供了全新的视角。通过使用平行、多时期、多处理条件下的样品及细胞类型，可以在单细胞水平下探究生物发育过程以及应对环境条件变化时细胞内部的变化从而推演到器官及复杂生物体的协调。这篇论文采用Wolffia australiana作为研究对象，使用单细胞转录组测序技术，首次在一个个体中同时研究两个生物学问题的交互，PBJ认为这是单细胞测序技术领域的一次新的尝试，推荐解读。
原文链接：
https://genome.cshlp.org/content/early/2024/06/28/gr.279091.124.long
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