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武汉爱基百客生物科技有限公司(简称爱基百客),位于武汉高农生物园,办公面积逾3000m2,是一家专业提供单细胞与空间组学测序分析、表观组学科研服务和高通量测序分析的新型生物科技服务企业。

公司旨在为客户提供最专业的科研服务,运营至今合作的科研客户近千家,涵盖国内知名科研院所、高校以及相关生物企业,运营至今销售额超1亿元,科研成果曾多次在Cancer Cell、Plant Cell、Nature Communications、J HEMATOL ONCOL等国际高水平学术期刊发表,受到了客户广泛好评,是国内成长最迅速的高通量测序科研服务企业之一。

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文献解读|PBJ 白菜单细胞转录组揭示植物叶片腹背面细胞分化差异的分子机制

单细胞转录组(scRNA-seq)可以提供单细胞水平上基因表达的信息,近些年已在细胞谱系、细胞功能、细胞分化以及细胞应答等方面开展了大量研究,提升了我们对复杂生物机制的认知,其中有肿瘤和疾病的发生、免疫机制、神经系统和胚胎发育等。

随着植物单细胞测序技术挑战的克服,陆续有许多植物单细胞转录组的研究发表出来。下面这篇近期发表在Plant Biotechnology Journal期刊上的文章中,中国农业科学院蔬菜与花卉研究所的研究员们利用单细胞转录组(scRNA-seq)对白菜叶片的腹背面细胞进行细胞分化机制的研究,值得我们学习。


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·  研究背景


叶肉细胞是光合作用的主要部位,也是叶片中最多的细胞群,腹面有紧密排列的圆柱状栅栏状叶肉细胞(PMCs),背面有松散排列的圆形海绵状叶肉细胞(SMCs)。研究显示PMCs 和SMCs的腹背侧分化缺失会导致叶形的变化。芸苔属植物包括许多形态多样性极端的多叶蔬菜,如头叶白菜和平叶白菜。探索PMCs与SMCs的分化,识别关键调控基因,对于阐明蔬菜作物叶片发育和抽穗的机制具有重要意义。



·  研究材料:莲座期白菜幼叶原生质体


·  研究结果


作者从莲座期白菜幼叶制备原生质体,然后进行单细胞转录组(图1a)。去除低质量的细胞和基因后,作者获得了16055个高质量的细胞和30214个基因。scRNA-seq数据显示了较高的重复性,并与bulk RNA-seq数据有很强的相关性(图1b,c)。细胞被分为17个簇(图1d)。利用拟南芥同源的标记基因,鉴定了8种细胞类型,有叶肉细胞(MCs)、表皮细胞、脉管系统、维管束鞘、保卫细胞、增殖细胞、韧皮部和木质部(图1d,e)。保卫细胞标记基因Bra001929的表达与原位RT-PCR检测结果一致。

为了进一步验证注释结果,作者将注释结果与拟南芥叶片scRNA-seq数据集进行了比较。两个物种之间的细胞类型的两两比较和scRNA-seq数据的整合分析都支持作者的注释。

由于MCs没有分为PMCs和SMCs,作者开发了一种优化的tape-sandwich方法来特异性富集PMCs和SMCs,以识别特定的标记基因来区分它们。作者利用RNA-seq鉴定了6731个差异表达基因(DEGs)。基于此前拟南芥叶子腹背面的许多可靠DEGs,作者分别从B. rapa和拟南芥共享的重叠同源DEGs中分别选择了433个和510个潜在的PMC和SMC标记基因。

除了鉴定出许多与光合作用相关的基因外,大量的核糖体蛋白编码基因(rpgs)(239/944)在PMCs中富集(图1q,r)。在发现的239个rpeg中,有27个是15个参与正向细胞或PMCs发育的拟南芥RPEGs的同源基因。蛋白-蛋白相互作用分析显示,PMCs中连接最多的前10个基因是rpeg(图1s)。这些结果强有力地表明,RPEGs参与了PMCs的发育。与PMCs不同,SMCs主要富集于对非生物和生物刺激的响应、信号响应基因(温度、茉莉酸、水杨酸和钙)和蛋白质修饰中(图1t)。总而言之,这些结果表明PMCs是光合作用的主要机器,而SMCs可能参与调节机器以适应外部环境。

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大白菜腹面叶和背面叶肉细胞的鉴定

作者发现大部分报道的腹背面极性基因几乎在MCs中检测不到。作者收集了一系列代表茎尖分生组织(SAM)和幼苗期和莲座期内外叶的不同区域的样本RNA-seq。结果显示大部分腹背面极性基因优先在SAM中表达,而在这两个时期它们的表达从内到外的叶片都被急剧而持续地下调。采集的是中期的莲座叶用于scRNA-seq,这可能是为什么在MCs中检测到很少的腹背面极性基因的原因。


  研究总结  ◆ 

该研究生成了一个单细胞分辨率的大白菜莲座叶转录组图谱。一个关键的发现是从MCs中鉴定出了腹面PMCs和背面SMCs。另外,还确定了PMC和SMC之间的功能差异,以及RPEG在PMC发展中的潜在作用。该研究还提供了许多细胞类型特异性的标记基因,这将有助于scRNA-seq在白菜中的应用。比较聚焦SMCs和PMCs的每种细胞类型的叶片单细胞转录组,跨越不同发育阶段和亚型拓展了我们对PMCs和SMCs在叶片腹背面模式以及叶片发育和形态发生过程中的差异的了解。

文献下载链接:
https://pan.baidu.com/s/12bT9_MGBtqm6h-VMgjov_A?pwd=zn1x
提取码:zn1x
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植物单细胞转录组研究主要分为两类:原生质体和细胞核测序。爱基百客在植物单细胞科研服务方面持续进行研发创新与优化,已测试近40余种不同植物材料的单细胞核提取以及原生质体制备,已完成水稻、拟南芥、小麦、烟草等模式以及非模式植物某树的单细胞科研服务。有需求的老师欢迎前来咨询哦~


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