硬控你！十余篇时空组学文章成果高产出！

学术 2024-10-12 11:44 北京

单细胞&时空组学技术能够解析细胞内的分子表达，捕获特殊罕见状态细胞和分子标志物等。该技术在农学领域的应用广泛且深入，该技术能够获取细胞的基因表达数据，为理解动植物组织细胞功能、器官发育过程、疾病病理学、物种进化等多个方面提供了重要的研究手段。

截至2024年10月，百迈客生物合作农学单细胞和空间转录组总共11篇，平均IF＞10分。文章研究物种包括水产动物：牙鲆、马友鱼、肺鱼、多鳍鱼、狗鲨、海鞘；昆虫：果蝇、美洲大蠊；植物：蝴蝶兰、番茄、玉米、小麦、杨树等。其中，蝴蝶兰花苞、番茄愈伤组织、小麦籽粒、美洲大蠊触角、牙鲆等均属于在单细胞&时空组学方向的首次应用。

农学部分合作文章

水产篇

脊椎动物肺的起源和逐步改善

英文标题：Origin and stepwise improvement of vertebrate lungs

发表期刊：bioRxiv

物种样本：9个物种肺

测序策略：单细胞转录组（10x、BMKMANU DG1000、BGI DNBeLab C4）

DOI：https://doi.org/10.1101/2024.07.14.603411

发表时间：2024.07.14

取样策略：

单细胞&Bulk转录组：多鳍鱼、肺鱼、牛蛙、鬃狮蜥、鸡、猪、人、小鼠、大鼠等9个物种肺

① 虽然大多数与肺相关的基因在软骨鱼类中已经存在，但肺的存在与否并不单纯依赖于这些基因的存在，而是与特定的调控元素和基因表达模式的变化密切相关。

② 发现了特定于硬骨鱼的肺调控元件，这些元件可能在肺的形成中起到了关键作用。

③ 哺乳动物特有的I型肺泡细胞（AT1细胞）及其相关基因sfta2的功能，强调了基因重复事件在脊椎动物肺结构起源和特化中的重要性。

图1-脊椎动物成熟肺的比较分析及共享的高表达基因

马友鱼鳃的细胞图谱

英文标题：Unveiling osmoregulation and immunological adaptations in Eleutheronema tetradactylum gills through high-throughput single-cell transcriptome sequencing

发表期刊：Fish and Shellfish Immunology

影响因子：4.1

物种样本：马友鱼鳃

测序策略：10x单细胞转录组

DOI：https://doi.org/10.1016/j.fsi.2024.109878

发表时间：2024.09.06

取样策略：

单细胞转录组：四指马鲅鳃（3个鳃样本汇集在一起作为一个重复，一共6个重复进行后续scRNA测序）

① 四指马鲅（Eleutheronema tetradactylum）是一种经济价值较高的鱼类，因其能够适应不同的盐度环境而闻名，鳃是其主要的调节渗透压和免疫防御的器官。之前的研究主要集中在组织和形态学水平上，而忽视了四指马鲅鳃组织中核心细胞群的细胞异质性和关键基因信息。

② 在这项研究中，研究人员利用高通量单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析了四指马鲅的鳃组织，识别出16种不同的细胞类型，并确定了每种细胞类型独特的基因标记和富集的功能。此外，研究人员首次将离子细胞分为四类不同的亚群。通过使用加权基因共表达网络分析（WGCNA），进一步研究了鳃组织中的细胞异质性和对盐度波动的特定响应机制。

③ 本发现揭示了鳃细胞复杂的渗透调节和免疫功能，强调了它们在维持稳态和适应变化的盐度水平方面的关键作用。这份详尽的细胞类型图谱为我们提供了宝贵的洞见，有助于我们了解该物种的适应策略，从而为保护和管理这一具有商业价值的鱼类以及其他广盐性物种做出贡献。

图2-单细胞转录组图谱显示了四指马鲅的细胞异质性

海鞘早期胚胎发育的时空图谱

英文标题：Temporospatial hierarchy and allele-specific expression of zygotic genome activation revealed by distant interspecific urochordate hybrids

发表期刊：Nature Communications

影响因子：14.7

物种样本：玻璃海鞘和萨式海鞘杂交种各发育时期胚胎

测序策略：单细胞转录组（BMKMANU DG1000）

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46780-0

发表时间：2024.03.16

取样策略：

单细胞转录组：玻璃海鞘（C.robusta）和萨式海鞘（C.savignyi）正向和反向杂交种的1-、2-、4-、8-、16-、32-、64-和112-细胞期、原肠胚中期和早、晚神经胚期胚胎。

①C.robusta 和C.savignyi 都是形态相似的被囊动物，它们广泛分布在北太平洋，系统进化树分析发现它们分化于约122亿年前，这比任何两个现存真兽类动物的距离都要大。研究人员首先使用这两个物种的去膜卵子来评估杂交胚胎的发育能力，发现成功的杂交种在尾芽期之前的发育时间和形态上都表现出相似的特征。研究人员选择进行bulk RNA-seq和单细胞RNA-seq来绘制这些杂交胚胎的基因表达特征。

②通过单细胞转录组学，研究人员将正向交叉杂交的64细胞、112细胞和早期神经胚期胚胎的8,357个细胞聚类成9、12和19个簇，分别标注为内胚层、脊索、中胚层、肌肉、神经索、生殖细胞、神经细胞和表皮细胞。

③在64细胞期，内胚层细胞的父本转录率最高，其次是脊索细胞。在112细胞期，内胚层细胞和脊索细胞的父本转录率也最高。在神经胚发育早期，神经索和间充质B细胞的父本转录本增加，各系父本转录本比例差异减小。为了进一步验证异步ZGA，研究人员在32、64和112细胞期对正交胚胎和自交胚胎的父本持家基因进行了整胚原位杂交。结果表明，管家基因在杂交胚胎中被异步重新激活，因此不遵循母体时钟模型。

图3-单细胞转录组揭示管家基因再激活

牙鲆感染爱德华氏菌的细胞图谱

英文标题：Single-cell transcriptome uncovers heterogeneity and immune responses of leukocytes after vaccination with inactivated Edwardsiella tarda in flounder (Paralichthys olivaceus)

发表期刊：Aquaculture

影响因子：4.5

物种样本：牙鲆头肾

测序策略：10x单细胞转录组

DOI：https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2023.739238

发表时间：2023.03.15

取样策略：

单细胞转录组：实验组：灭活后的E. tarda与弗氏完全佐剂1:1混合后，腹腔注射于牙鲆体内。对照组：与实验组等量的PBS与弗氏完全佐剂的混合液，腹腔注射于牙鲆体内。接种后7天，每组随机选取6只牙鲆，分离头肾白细胞混合成一个样本用于后续实验。

①单细胞RNA测序绘制了疫苗接种后牙鲆(Paralichthys olivaceus)白细胞的聚类图谱，鉴定到12群细胞，包括粒细胞、单核/巨噬细胞、T淋巴细胞、B淋巴细胞、树突状细胞（DC）和自然杀伤细胞（NK）。

②对牙鲆粒细胞、单核/巨噬细胞、T淋巴细胞和B淋巴细胞进行了再分群，并鉴定到相关标志基因。

③牙鲆B淋巴细胞根据活化状态可以分为幼稚B细胞、活化B细胞和抗体分泌细胞，且活化B细胞和抗体分泌细胞的占比在疫苗接种后增加。

④研究证实牙鲆B淋巴细胞的活化、特异性抗体的分泌与灭活疫苗的保护效果呈正相关。

图4-免疫后比目鱼白细胞的单细胞转录组图谱

昆虫篇

美洲大蠊触角的细胞图谱

英文标题：Two sex pheromone receptors for sexual communication in the American cockroach

发表期刊：Science China Life Sciences

影响因子：8.0

物种样本：美洲大蠊触角

测序策略：单细胞转录组

DOI：https://doi.org/10.1007/s11427-023-2548-3

发表时间：2024.03.22

取样策略：

SnRNA-seq：羽化后（DAE）9天的美洲大蠊雄虫触角（n=1）；

Bulk RNA-seq：1、3、5、7、9 DAE的美洲大蠊雄虫触角（n=4），雄虫（触角、前足、头部、口器、精巢和翅），雌虫触角（n=4）。

①利用组织特异性转录组，研究鉴定出OR53和OR100为PA/PB和PA的受体，并发现它们在雄虫触角中的表达模式与行为测定结果相吻合，证实了这两种受体在性信息素感知中的关键作用。

②研究人员利用UAS-OR53和UAS-OR100转基因果蝇品系，通过RNAi实验敲除了美洲大蠊中的OR53和OR100基因，进而研究这些嗅觉受体在求偶交配行为中的作用。

③研究人员利用FISH技术，观察到OR53、OR100和ORco经常在同一个感受器中表达，说明大多数基本感受器同时含有OR53和OR100的ORN。为了更系统地研究OR基因的表达，研究人员使用性成熟雄虫的触角进行了单细胞测序。测定每簇细胞的基因表达水平，鉴定出Cluster 2为ORco高表达的ORN。这些结果进一步支持了性成熟雄虫触角中至少存在两种锥形感受器。

图5-成年雄性美洲大蠊触角上OR53和OR100的细胞定位

果蝇注射致癌细胞后的空间图谱

英文标题：mthl1, a potential Drosophila homologue of mammalian adhesion GPCRs, is involved in antitumor reactions to injected oncogenic cells in flies

发表期刊：PNAS

影响因子：11.1

物种样本：果蝇虫体

测序策略：10x Visium空间转录组

DOI：https://doi.org/10.1073/pnas.2303462120

发表时间：2023.07.25

取样策略：

空间转录组：基于向成年雄性果蝇注射致癌细胞（OCs）的模型，注射后3天的果蝇虫体。

①通过空间转录组发现，真正的GPCR化学受体成员在果蝇的所有部位/组织中都有广泛的表达，并且它们的表达位点在所有化学受体家族中最广泛。其中mthl1和mthl8是本研究中在第3天表达最广泛和最丰富的GPCR。

②与野生型果蝇相比，mthl1敲除果蝇注射的OCs的增殖速率显著增加。在mthl1敲除果蝇中，OCs的增殖很早就开始了（在24小时内高达2.5倍），然后从第2天到第5天显著增加（从4倍到16倍），此后呈指数级增长（400倍，第八天）。相反，在野生型果蝇中，OCs的增殖仅在第4天开始。mthl1基因过表达的果蝇则显示出OCs的增殖显著减慢（与野生型苍蝇相比，在第5天大约是野生型苍蝇的六倍）。

③为了探究这种诱导是否对注射OCs的反应相对特异，作者分析了接受OC或EC注射或细菌/病毒感染的宿主苍蝇中mthl1的表达水平。如图3所示。野生型苍蝇的mthl1计数值（代表相对mRNA表达水平）在第3天开始急剧增加，然后在第5天达到峰值，随后适度下降。相反，在接受ECs注射的果蝇和被微生物（细菌和病毒）感染的果蝇中，mthl1的计数值均没有增加。

图6-注射OCs第三天mthl1和mthl8的空间表达情况

植物篇

杨树根系从头再生的时空图谱

英文标题：Spatial transcriptome analysis reveals de novo regeneration of poplar roots

发表期刊：Horticulture Research

影响因子：7.6

物种样本：杨树根

测序策略：百创S1000空间转录组

DOI：https://doi.org/10.1093/hr/uhae237

发表时间：2024.08.20

取样策略：

空间转录组：杨树根扦插繁殖过程的Stage 2和Stage 3

①在本研究中，第二时期和第三时期对杨树根横切进行了空间转录组学研究，L7 50 μm中位基因数1,777/556，注释出了Stage2：木质部、皮层、形成层和韧皮部、表皮细胞；Stage3：皮层、形成层和韧皮部细胞、髓部、周皮、根原基和不定根。

②拟时序分析显示，从形成形成层细胞到根原基细胞的分化过程具有复杂的模式，表明细胞分化的动态性和多样性。

③在第二和第三阶段的根发育中，识别出六个不同的细胞群，每个细胞群对应特定的解剖区域，具有独特的基因表达谱。

④SAC56和LOS1被确定为增强根再生的潜在新标记基因，利用原位杂交实验验证了其在根原基和不定根中的空间表达模式。

图7-不定根再生过程中细胞簇的鉴定

小麦籽粒发育的时空图谱

英文标题：Temporal-spatial transcriptomics reveals key gene regulation for grain yield and quality in wheat

发表期刊：bioRxiv

物种样本：小麦籽粒

测序策略：百创S1000空间转录组

DOI：https://doi.org/10.1101/2024.06.02.596756

发布时间：2024.06.02

取样策略：

空间转录组：小麦授粉后4、8、12天籽粒纵切，授粉后12天横切

①为了提供小麦籽粒发育过程的时空信息，本研究在授粉后4~12天对小麦籽粒发育早期进行了空间转录组学研究，27 μm平均基因数1,410。

②定义了一组组织特异性标记基因，并发现某些基因或基因家族随着时间的推移表现出特定的空间表达模式。

③WGCNA分析确定了可能调控小麦籽粒发育的特定基因集。胚及胚周胚乳特异性表达转录因子TaABI3-3B负向调控胚和粒的大小。

图8-小麦籽粒的空间解析转录组分析

玉米叶枕的细胞图谱

英文标题：Histological and single-nucleus transcriptome analyses reveal the specialized functions of ligular sclerenchyma cells and key regulators of leaf angle in maize

发表期刊：Molecular Plant

影响因子：17.1

物种样本：玉米叶枕区

测序策略：百创DG1000单细胞核转录组

DOI：10.1016/j.molp.2024.05.001

发表时间：2024.05.08

取样策略：

单细胞核转录组：30个植株叶枕区抽核，共计得到7,049个高质量细胞核。

①叶夹角（LA）是影响玉米种植密度和产量的重要因素。然而，叶夹角形成背后的调控机制仍然在很大程度上未知。

②为了深入解析玉米茎叶夹角的调控机制，研究团队对140份玉米自交系的叶枕部位进行切片和木质素染色。首次发现，在紧凑型自交系的叶枕近轴侧和远轴侧均能观测到厚壁细胞及显著的木质素沉积（双轨模式）；而在平展型自交系的叶枕中，仅远轴侧具有厚壁细胞和木质素沉积（单轨模式）。这一发现表明，叶枕区厚壁细胞的双轨分布模式是紧凑型植株叶夹角变小的主要原因。

③叶枕近轴厚壁细胞是由皮下细胞特化而来。在厚壁细胞的特化过程中，其细胞长度和木质化程度的差异直接决定了茎叶夹角的大小，进而影响了植株整体的紧凑程度。近轴厚壁细胞中木质素的定向沉积，可能通过抑制细胞持续伸长和增强机械强度来限制茎叶夹角增大。

④进行了大规模和单细胞核RNA测序，生成了叶枕区域的全面转录组图谱，并识别出许多富集在下表皮细胞中的基因，这些基因可能影响它们向SCs的特化。单细胞核分辨率的叶鞘区域转录组图谱不仅加深了我们对叶角调控的理解，还使我们能够识别出多个潜在目标，以优化现代玉米育种中的植物结构。

图9-单细胞核转录组揭示玉米叶枕区域的细胞异质性

番茄愈伤组织芽再生过程的时空图谱

英文标题：Spatial transcriptomics reveals light-induced chlorenchyma cells involved in promoting shoot regeneration in tomato callus

发表期刊：PNAS

影响因子：11.1

物种样本：番茄愈伤组织

测序策略：空间转录组（BMKMANU S1000、Stereo-seq、10X Visium）、单细胞核转录组

DOI：https://doi.org/10.1073/pnas.2310163120

发表时间：2023.09.19

取样策略：

单细胞核转录组&空间转录组：16天达到出芽期的番茄愈伤组织

①愈伤组织由高度异质性的细胞组成，根据空间基因表达和组织学观察可分为不同的细胞类型，包括表皮、芽原基、维管组织、内部愈伤组织和外生芽；

②发现了表皮和芽原基细胞的亚型和功能，还揭示了绿色组织（chlorenchyma）细胞在芽原基细胞位置决定和分化发展中的重要作用，以及光照如何通过促进绿色组织细胞的发育和激活雷帕霉素靶蛋白TOR来推动芽再生过程。

③本研究揭示了番茄愈伤组织包含多种细胞类型，并鉴定了芽原基形成的关键因子，揭示了光合和TOR信号在芽再生中的关键作用。这些发现提升了我们对番茄愈伤组织芽再生的理解，并证明了空间转录组学在植物生物学研究中的巨大潜力。

图10-番茄愈伤组织中芽原基空间分辨特征的表征

蝴蝶兰花器官发育的时空图谱

英文标题：A spatiotemporal atlas of organogenesis in the development of orchid flowers

发表期刊：Nucleic Acids Research

影响因子：16.6

物种样本：蝴蝶兰花苞

测序策略：10x Visium空间转录组

DOI：https://doi.org/10.1093/nar/gkac773

发表时间：2022.09.12

取样策略：

空间转录组：连续发育时期的3个花苞样本

① 在10X Visium平台上对蝴蝶兰进行了空间转录组测序，从时期上覆盖了花序分生组织和近成熟花器官的多个发育阶段，得到了蝴蝶兰花器官发育的时空图谱。

② 在早期花原基的多个细胞类群中共鉴定出4,685个基因与发育时间相关，分别在分生组织、营养细胞、生殖细胞中呈现选择性的高表达模式。

③ 通过对花被细胞进行发育轨迹分析，发现5 号花苞被片细胞的基因表达呈现出高度一致性，而在6号花苞所在阶段表现出一定的表达异质性。

④ 综合120种组织类型的PCA分析进一步表明，花药的营养组织在早期往往有相似的基因表达式样，特异性表达基因较少，但在发育后期经历了迅速的组织分化和形态发生过程。

图11-基于空间转录组学的兰花花发育早期器官发生重建研究

动植物3D时空图谱助研计划

为了加速时空组学在农学领域的应用，尤其是3D时空组学研究，百迈客生物现推出动植物时空3D图谱助研计划，对技术和活动感兴趣都可以与我们取得联系！

活动入选的项目，最高将会免费获得30张百创S3000空间转录组芯片的资助。

活动时间：2024年10月15日前到样启动

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北京百迈客生物科技有限公司(简称：百迈客生物)成立于2009年，是一家提供基因多组学测序服务和单细胞组学&空间组学仪器设备的高新技术企业。业务主要包括科技服务、智能制造两大业务板块。全球化的业务布局，在中国、欧洲等地区拥有以博士和硕士为主体的研发及服务团队，先后在Cell、Nature、Science等国际期刊上发表文章数千篇，累计影响因子超万分。拥有Illumina、MGI、PacBio、Nanopore、AB SCIEX、Waters、BMK Manu、10X等二代测序、三代测序和质谱检测平台，自主创新的百灵实验室全自动生产线、BMKCloud多组学大数据智能交付平台及亚细胞级S系列空间组学产品，为全球科研单位、育种机构、医药公司等提供高品质基因多组学服务和产品。

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