解锁非模式植物单细胞转录组研究关键 —如何注释细胞类型?

文摘   2024-09-13 17:46   北京  
目前,单细胞转录组测序技术已经在人、小鼠、拟南芥等模式物种的各类生物学研究中得到广泛应用。然而,由于技术手段、分析方法等因素的制约,单细胞转录组测序在非模式植物研究中的应用仍有较大的发展空间。
由于可参考的前人研究有限,“细胞类型注释”通常为非模式植物单细胞研究的重要环节,该环节涉及到用于注释各细胞类型的marker基因筛选、验证等过程。
精准的细胞类型注释可以为后续的研究奠定可靠的基石,下面请大家跟随小编一同了解非模式植物细胞类型注释的相关策略~














常见非模式植物细胞类型注释策略

STEP1:参考本物种已发表文章或相关数据库,获得部分marker基因。对于目前研究较多的水稻、玉米等物种的常见部位,前人研究的marker基因基本可以满足细胞类型注释的需求。对于其他植物,可参考的数据有限,甚至没有可参考的研究,需要做进一步筛选。

在水稻胚芽发育图谱的研究中(Zhu et.al,2024),研究者基于前人研究的marker基因和PlantscRNAdb数据库信息进行细胞注释,明确了叶肉细胞、叶原基细胞等多种细胞类型。

  图1 水稻胚芽细胞图谱[1]

STEP2:通过近源物种marker基因同源转化,获得部分marker基因。但对于有些物种而言,此环节可筛选的marker基因数量有限,仍需要做进一步筛选。例如,在毛竹根发育图谱构建的研究中(Cheng et.al, 2023),研究者利用拟南芥和水稻的根部marker基因进行同源转化和原位杂交验证,结果显示毛竹根的多数marker同源基因的转录水平与水稻和拟南芥中的不同,且由于许多同源基因表达水平较低,此方法可用信息有限。

STEP3:基于各cluster显著差异表达基因(DEGs)的功能,结合既往文献研究,再通过近源物种marker基因同源转化,确定部分细胞类型。此环节是既往单细胞研究较少的非模式生物筛选marker基因的重要手段。

STEP4:对于某些物种而言,基于基因表达维度得到的cluster分群需要按照生物学功能做进一步合并或细化。例如,在玉米根尖细胞类型的注释中(Cao et.al,2023),研究者将21个cluster进一步合并为根尖分生组织、根冠等7个大类。

图2 21cluster依据生物学功能被划分为7个大类[3]

STEP5:对前期筛选到的重要marker基因,进行原位杂交、qPCR等验证,确定细胞类型鉴定的准确性。此环节也是单细胞转录组测序不同于bulk RNA-seq的关键验证环节。

图3 玉米根尖代表性marker基因验证[3]















格致博雅细胞类型常规注释方案

STEP1:根据项目的样本信息,初步确定样本可能具有的细胞类型。

STEP2:基于文献或数据库,获得本物种或同源物种的特异性高表达的marker基因。

STEP3:若无可参考marker基因,则根据各细胞类群的DGEs列表,结合文献查阅,筛选marker基因。

STEP4:基于marker基因在各细胞类群中的表达情况,综合判断细胞类型。

STEP5:对于上述操作无法完成注释的cluster,暂定为unknown细胞类型,后续基于DGEs等信息反推断该细胞类型的注释信息。














常用植物单细胞注释数据库分享

Plant Cell Marker Data Base(https://www.tobaccodb.org/pcmdb/homePage)数据库收录了拟南芥、水稻、玉米、大豆、番茄、烟草等6种常见模式植物的22个组织类型、263种细胞类型以及81 117个细胞marker基因。

Plant Single Cell Hub(http://jinlab.hzau.edu.cn/PsctH/)涵盖了拟南芥、玉米、水稻、花生、番茄5种植物的单细胞综合数据,其中所有marker基因都已被验证。

Single Cell Plant DataBase(https://biobigdata.nju.edu.cn/scplantdb/home)是一个收录了17个植物物种、259种细胞类型、229 551个细胞Marker基因信息的综合型单细胞转录组数据。同时,它还提供用了基于标记识别细胞类型的工具,并进行系统比较和功能注释。

PlantscRNAdb(http://ibi.zju.edu.cn/plantscrnadb/index.php)收录了15种植物的114 770个marker基因















参考文献

[1] Zhu, M.D., Zhang, M., Huang, K.Y., et al. Single-cell transcriptome sequencing reveals the mechanism regulating rice plumule development[J]. Crop Journal, 2024, 12(3): 688-697.
[2] Cheng, Z.C., Mu, C.H., Li, X.Y., et al. Single-cell transcriptome atlas reveals spatiotemporal developmental trajectories in the basal roots of Moso bamboo (Phyllostachys edulis)[J]. Horticulture Research, 2023, 108: uhad122.
[3] Cao Y., Ma J., Han, S., et al. Single-cell RNA sequencing profiles reveal cell type-specific transcriptional regulation networks conditioning fungal invasion in maize roots[J]. Plant Biotechnology Journal, 2023, 21(9): 1839-1859.

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