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新鲜出炉，南京农业大学黎星辉教授团队，结合单细胞核转录组学分析揭示了茶树根尖的细胞类型特异性基因表达和调控网络，该研究成果顺利见刊发表于一区杂志《Industrial Crops and Products》。
文章标题：Single-nucleus transcriptomic profiling reveals cell type-specific gene expression and regulatory networks in Camellia sinensis root tips发表期刊：Industrial Crops and Products （JCR1区）联川贡献：杭州联川生物完成测序工作，售后支持团队进行测序数据的分析，技术工程师杜祎文完成跨物种数据合并，深度参与数据挖掘，作为共同作者参与署名。茶文化在中国历史悠久，而茶树（Camellia sinensis）作为茶叶的来源，其根系对吸收水分和养分起到了至关重要的作用。现有关于根系生长的细胞和分子机制的研究主要集中在模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）上，但这些研究的结果并不能完全解释木本植物如茶树的根系发育特性。为弥补这一空白，研究团队通过单核转录组测序（snRNA-seq）技术对茶树根尖进行分析，揭开茶树根系分子机制的谜团。 首先，研究团队对茶树根系进行 snRNA-seq 分析，揭示了18个不同的簇，这些簇通过标记基因的筛选进一步分为 8 种细胞类型：Meristem cells (clusters 4, 6, 9), Stele (clusters 3, 10, 11, 14), Endodermis (clusters 1, 2, 15), Cortex (cluster 17), Epidermis (clusters 0, 5, 12), Root cap (cluster 13), Lateral root cap (cluster 16), Root hair (clusters 7, 8)，标志着茶树根细胞类型的首次确定。Fig1. snRNA-seq and cluster characterization of tea plant primary roots明确细胞类型后，研究团队利用拟时序分析的方法，揭示了茶树根尖分生组织与导管细胞的发育轨迹，展示了两条主要的分化路径：一条通向远端的根冠、侧根冠、表皮和根毛，另一条通向近端的多种导管细胞类型。伪时间分析显示，分生组织细胞（簇4、6、9）和导管细胞（簇3、10、11）分别聚集于伪时间主干的两端，分化方向清晰明确。通过分支特异基因的热图分析，导管细胞分化轨迹被分为三个表达聚类，分别富集于“蛋白丝氨酸/苏氨酸磷酸酶活性调控”、“1,3-β-D-葡聚糖合酶复合体”和“胞质大核糖体亚基”等关键通路。这些基因通路在干细胞功能维持、环境信号响应、细胞骨架和蛋白质合成等方面起着重要作用。 Fig2. Differentiation tarjectories and GO enrichment of tea plant specific root cells茶树表皮细胞和根毛细胞的分化轨迹显示，这两种外层细胞类型在伪时间轨迹的两端聚集，表皮细胞的特征性基因标志物（如CSS0040944、CSS0042210和CSS0042576）和根毛细胞的特征性基因标志物（如CSS0001442、CSS0001622和CSS0033750）的分化模式与整体单细胞群体的趋势一致。分支特异基因的热图分析进一步揭示了两个模块的基因表达特征：表皮相关基因集中于Branch 1，主要富集于“氧化胁迫响应”、“防御反应”和“对烟曲霉素的响应”等GO通路，反映了表皮在感知和传递环境信号中的关键作用；而根毛相关基因集中于Branch 2，富集于“缺水响应”、“乙烯激活的信号通路”和“液泡膜”等通路，体现了根毛在生物过程中的特定功能。 植物激素在根系生长和胁迫反应中起着重要的协同作用。该研究重点分析了7种与激素相关的差异表达基因（DEGs），包括生长素、细胞分裂素和脱落酸等。大多数激素相关差异基因主要集中于表皮层、内皮层和导管细胞中，而外皮层细胞的差异基因则以油菜素内酯（BRs）、脱落酸（ABA）和细胞分裂素为主。在根冠和侧根冠中，激素相关差异基因主要包括生长素和细胞分裂素，这些基因的特异性表达在调控植物根系结构中发挥了关键作用。此外，与ABA和乙烯相关的差异基因在内皮层、皮层和根毛中最为富集，并表现出相似的表达模式，这与其在环境感知和植物适应中的重要功能相一致。总体而言，这项研究展示了不同激素在茶树根系发育中的复杂作用及其相互作用模式，为单核水平上探索激素信号通路提供了重要资源和新视角。Fig3. UMAP illustration of gene expression profiles associated with plant hormone transcripts.接下来，研究者系统分析了茶树根系中与次生代谢物合成相关的关键基因的表达分布特征。结果表明，与茶氨酸合成相关的基因（如CsGSs、CsTSI、CsGDHs和CsGOGATs）呈现出细胞特异性的表达模式：CsGSs和CsTSI主要表达在根冠，CsGDHs在皮层和侧根冠，而CsGOGATs则集中于分生组织细胞。此外，茶氨酸转运基因（CsAAPs）在所有细胞类型中均有表达。在咖啡碱的合成过程中，与关键酶相关的基因（如Cs5′NTs、CsAPRTs和CsGMPSs）分别在侧根冠、根冠、导管细胞和根毛中高度表达。对于儿茶素的合成，涉及的多个基因（如CsANR、CsANSs、CsCHIs、CsDFRs、CsF3′5′H等）主要表达于根冠，而CsSCPL1As则集中在根毛、导管细胞和皮层中。 这些结果不仅揭示了茶氨酸、咖啡碱和儿茶素等次生代谢物的细胞特异性合成网络，还为进一步解析茶树次生代谢调控机制及其在茶叶品质形成中的作用提供了重要基础。Fig4. Spatiotemporal distribution of the key genes related to theanine, caffeine, and catechin biosynthesis
5.茶树和拟南芥之间保守和不同细胞类型的基因表达谱
此外，研究者通过比较茶树和拟南芥的单核转录组数据，研究分析了双子叶植物根细胞类型进化保守性及差异性。结果显示，茶树和拟南芥的根表皮、导管、根毛、侧根冠及皮层细胞类型在进化上具有较高的同源性。分析结果发现，茶树中对应拟南芥细胞类型的同源基因，如侧根冠标志基因CSS0041891、分生组织标志基因CSS0019192和CSS0011066、以及导管标志基因CSS0018669，均在茶树的相应细胞类型中高表达，显示出双子叶植物中较高的细胞类型表达保守性。 Fig5. Evolutionary conservation and divergent of root cell types between tea plant and Arabidopsis对茶树和拟南芥在每种细胞类型中差异表达和保守表达基因的进一步分析表明，不同物种之间的基因表达差异主要富集于“生物过程”、“蛋白结合”和“防御反应”等通路，表明这些差异可能导致不同植物物种间细胞活动和根结构的功能多样性。这些结果揭示了茶树与拟南芥在细胞类型基因表达上的保守与变异，为深入理解双子叶植物的根系进化提供了新视角。根据前述研究，基因CSS0011345被注释为侧根冠标志基因，并鉴定为拟南芥中AUX1（生长素内流载体蛋白1）的同源基因。AUX1已被证实通过调控根尖的生长素运输来影响根系结构（RSA）。为进一步探究CSS0011345在茶树RSA中的功能，研究首次鉴定并进行生物信息学分析了茶树AUX1/LAX基因家族的8个成员。这些基因编码的蛋白长度在453至488个氨基酸之间，分子量范围为51.47至54.97 kDa，理论等电点从7.96（CsLAX2）到8.98（CsLAX8）。亚细胞定位预测显示，所有CsLAX蛋白均位于质膜上。此外，研究还分析了CsLAX基因的染色体定位、共线性和功能域组成，预测了基因启动子中的顺式调控元件（CAREs），并评估了与其共表达的基因簇。这些结果为进一步理解CsLAX基因在茶树根系结构调控中的作用提供了基础。 Fig6. Bioinformatics analysis of AUX1/LAX gene family in tea plant通过构建茶树与拟南芥、水稻、银杏、毛果杨的系统进化树，研究基于进化关系将CSS0011345命名为CsLAX1。在烟草（Nicotiana tabacum）中的亚细胞定位实验显示，CsLAX1定位于质膜上。基因表达谱分析表明，在茶树的8种不同细胞类型中，CsLAX1仅在侧根冠中表现出显著表达。功能研究通过拟南芥转基因植物（表达Pro35S:CsLAX1）的表型分析发现，CsLAX1的过表达显著降低了主根长度、侧根数量和侧根密度。这些结果表明，CsLAX1作为茶树侧根冠的标志基因，对植物根系结构具有重要的调控作用。 Fig7. Functional study of CsLAX1 in root system development总结来说，该项研究利用单核转录组分析技术，系统解析了茶树根尖的主要细胞类型，确定了各细胞类型的标志基因及其特定的调控机制。同时，研究可视化了不同细胞类型中参与茶氨酸、儿茶素和咖啡碱等重要次生代谢物合成通路的关键基因表达模式。通过比较茶树与拟南芥细胞类型的基因表达保守性与差异性，揭示了茶树细胞类型功能和进化轨迹的新认识，并提供了茶树根尖主要细胞类型在单核分辨率下的详细转录组图谱。此外，研究还首次探讨了侧根冠标志基因CsLAX1对茶树根系结构的调控作用，为深入研究木本植物细胞类型的功能及其进化路径提供了宝贵资源。本文系联川生物公众号原创文章，未经授权禁止转载，侵权必究！
