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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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空间转录组 | 华大Stereo-seq在植物科学中的应用


Stereo-seq是空间组学技术研究中最有力的技术之一,基于DNB纳米球(DNB)技术构建。这种方法允许以前所未有的(纳米级)分辨率对组织切片进行高通量转录组分析,其面积可扩展至厘米级,具有高灵敏度和同质捕获率。通过整合高通量转录组学、蛋白质组学和组织学染色数据,可以同时进行组织样本的转录组学和图像分析。

相对于动物和医学领域,尽管空间组学在植物中的研究进展缓慢,最近一些在植物研究中的项目已成功应用于识别细胞类型,重建细胞命运谱系,并揭示细胞间的相互作用,这将大大推进我们对植物生物学关键方面的理解。本文将罗列几项以Stereo-seq技术为主的植物空间组学研究案例。

1. 单细胞Stereo-seq揭示了拟南芥叶中区域特异性细胞亚型和转录组谱


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  • 期    刊:Developmental Cell

  • 影响因子:10.7

  • 发表时间:2022年5月23日

  • 发表单位:华大基因

  • 原文链接:

    https://doi.org/10.1016/j.devcel.2022.04.011

理解植物叶片的复杂功能需要对离散细胞特征进行彻底的表征。虽然单细胞基因表达谱技术已经发展起来,但其在细胞亚型表征中的应用尚未实现。此研究利用单细胞空间增强分辨率组学测序(scStereo-seq),展现了真正的拟南芥叶片的单细胞空间转录组谱,并成功区分了上表皮细胞和下表皮细胞之间细微但显著的转录组差异。此外,从主叶脉到叶缘的细胞类型特异性基因存在表达梯度,从而发现了维管细胞和保护细胞不同的空间发育轨迹。研究结果展示了单个细胞的物理位置在植物中发挥复杂生物学功能的重要性,并证明了scStereo-seq是整合单细胞位置和转录组信息用于植物生物学研究的强大工具。

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图1. 拟南芥茎叶中单细胞水平的空间分辨转录组

2. 花生组织的空间转录组分析揭示了peg的细胞异质性

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  • 期    刊:Plant Biotechnology Journal

  • 影响因子:10.1

  • 发表时间:2022年7月23日

  • 发表单位:山东省农业科学院

  • 原文链接:

    https://doi.org/10.1111/pbi.13884

花生具有一个独特的特征,即通过一个称为果针的特殊器官将其受精的胚珠嵌入土壤中,果针具有茎状的形态和解剖结构,但其行为像具有正向重力的根。此研究成功建立了该物种4种组织(根、茎和下胚轴)的空间增强分辨率组学测序(Stereo-seq ),鉴定了18种细胞簇,来自不同部位的同一组织可进一步分亚簇,亚簇的富集基因与它们的功能相符。顶针顶部拥有一类独特的细胞簇13,它们与糖苷和皂苷的合成有关,可能保护胚珠免受地下害虫的侵害。总之,该研究为Stereo-seq技术在非模式物种中建立部分单细胞水平的高分辨率空间转录组图谱提供了范例,研究成果为进一步研究花生等植物的生物学问题奠定坚实的转录组学策略。

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图2. 花生组织的空间转录组图谱

3. 整合单核和空间转录组学捕捉大豆根瘤成熟的过渡状态

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  • 期    刊:Nature plants

  • 影响因子:15.8

  • 发表时间:2023年4月13日

  • 发表单位:南方科技大学

  • 原文链接:https://doi.org/10.1038/s41477-023-01387-z

豆科植物与根瘤菌共生,形成固氮根瘤。此研究通过整合单核和空间增强分辨率组学测序(Stereo-seq),建立了大豆根瘤和根的细胞图谱。在结节的中心感染区,研究发现未感染的细胞在结节发育过程中特化成功能不同的亚群,并揭示了一种具有丰富结节相关基因的感染细胞的过渡亚型。总的来说,研究结果提供了一个单细胞的角度来理解根瘤菌-豆科植物的共生关系

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图3. 单核和空间转录组结合显示结节在不同发育阶段的异质性

4. 空间转录组学揭示光诱导的绿色组织细胞参与促进番茄愈伤组织的芽再生

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  • 期    刊:PNAS

  • 影响因子:9.4

  • 发表时间:2023年9月13日

  • 发表单位:北京大学现代农业研究院

  • 原文链接:

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

愈伤组织是一种在作物工程中参与植物再生和基因转化的重编程细胞团。多能愈伤组织通过芽再生发育成可育芽。然而,作物愈伤组织中芽再生过程的分子基础在很大程度上仍然难以捉摸。此研究利用当前主流的Stereo-seq、BMKMANU S1000和10×Visium对番茄愈伤组织再生过程中的空间转录组进行了初步探索。结果表明,愈伤组织中存在高度异质性的细胞群,包括表皮、维管组织、芽原基、内层愈伤和往外生长的芽。通过表征芽原基及其周围细胞的空间分辨分子特征,确定了芽原基形成的特定因子。值得一提的是,绿质细胞在促进芽原基形成和随后的芽再生过程中起着至关重要的作用。光通过诱导绿色组织细胞发育和协调糖信号传导来促进芽部再生。研究结果极大地促进了我们对番茄愈伤组织再生的细胞和分子方面的理解,并证明了空间转录组学在植物生物学中的巨大潜力。

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图4. 基于空间转录组学的番茄愈伤组织细胞聚类和细胞类型鉴定

5. 三种关键葱属作物的染色体水平基因组及其性状进化

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  • 期    刊:Nature Genetics

  • 影响因子:31.7

  • 发表时间:2023年11月6日

  • 发表单位:西北工业大学

  • 原文链接:https://doi.org/10.1038/s41588-023-01546-0

由于缺乏高质量的参考基因组,大蒜作物育种仍然严重受阻。此研究报道了三种葱属植物(威尔士洋葱、大蒜和洋葱)的高质量染色体水平基因组组装,它们的大小分别为11.17 Gb、15.52 Gb和15.78 Gb,最高记录的contig N50分别为507.27 Mb、109.82 Mb和81.66 Mb。除了揭示了葱属植物的基因组进化过程外,研究进行的病原体感染实验和比较代谢组学和基因组学分析表明,编码葱特有风味化合物代谢途径的酶的基因可能是从一个古老的未被鉴定的植物防御系统进化而来的,该系统广泛存在于许多植物谱系中,但在葱属植物中得到了广泛的促进。利用原位杂交技术和空间增强分辨率组学测序(Stereo-seq),研究了洋葱鳞茎形成过程中海绵状叶肉细胞扩增相关的细胞类型分类和基因表达变化,从而揭示了鳞茎形成基因的功能作用。

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图5. 空间RNA-seq揭示了代谢过程和洋葱鳞茎形成过程中基因表达的空间分布

6. 长雄野生稻根茎形成的时空转录图谱

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  • 期    刊:Plant Biotechnology Journal

  • 影响因子:10.1

  • 发表时间:2024年2月12日

  • 发表单位:云南大学

  • 原文链接:

    https://doi.org/10.1111/pbi.14294

根茎是生长在地下的经过改造的茎,能产生与母株基因相同的新个体。近年来,利用野生根状植物作为供体,将一年生谷物转化为多年生谷物的研究取得了突破性进展,但这一器官的发育生物学研究却很少。长雄野生稻(Oryza longistaminata)是一种根茎较强的野生水稻,为探索根茎发育提供了有价值的模型。此研究首先组装了长雄野生稻的双单倍型基因组,接着利用空间增强分辨率组学测序(Stereo-seq),获得了根状茎和分蘖中不同组织的表达谱。两个空间相互作用的细胞群,维管束2群和薄壁组织2群,被确定为根茎和分蘖的主要区别。此外,研究在节间基部薄壁凹陷区捕获了分生组织起始细胞,代表这是根茎形成的起点。轨迹分析进一步表明,根茎是通过重新发生再生的。研究结果揭示了根茎形成的时空转录转变,为未来多年生作物的育种提供了宝贵的资源。

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图6. 长雄野生稻分蘖和根茎时空转录组学概况

7. 单细胞和空间转录组测序揭示火龙果果实衰老的时空轨迹

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  • 期    刊:Nature Communications

  • 影响因子:14.7

  • 发表时间:2024年4月10日

  • 发表单位:河南科技大学

  • 原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-47329-x

果实的衰老是一个复杂的生理过程,果皮中有多种细胞类型,阐明它们在果实衰老中的各自作用具有很大的挑战性。此研究利用空间增强分辨率组学测序(Stereo-seq)构建了火龙果果皮单细胞表达图谱,揭示了外果皮和中果皮细胞在果实衰老过程中发生的显著变化。伪时间分析建立了衰老过程中的细胞分化和基因表达轨迹。早期氧化应激失衡之后,外果皮细胞抗性激活,随后衰老相关蛋白在衰老晚期在中果皮细胞中积累,早期反应因子HuCMB在衰老调控网络中起核心作用。研究结果为深入理解植物的动态衰老过程提供了时空视角

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图7. 利用空间转录组学重建火龙果成熟果皮细胞图谱

8. 发育中玉米穗的空间转录组图谱

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  • 期    刊:Nature plants

  • 影响因子:15.8

  • 发表时间:2024年5月14日

  • 发表单位:华中农业大学

  • 原文链接:https://doi.org/10.1038/s41477-024-01683-2

谷物产量由花序分生组织产生生殖器官决定,全面了解花序发育对作物遗传改良至关重要。然而,在细胞水平上剖析花序发育具有挑战性,因为缺乏特异性标记基因来区分细胞类型,特别是对器官形成至关重要的不同类型的分生组织。此研究使用空间增强分辨率组学测序(Stereo-seq)构建了发育中玉米穗原基的精确空间转录组图谱,鉴定了12种细胞类型,包括主要在花序分生组织中发现的4种新定义的细胞类型。通过提取分生组织成分进行详细聚类,研究鉴定了分生组织的三种亚型,并验证了两种MADS-box基因,它们特异性表达于决定分生组织的顶端并参与干细胞决定。此外,通过整合单细胞RNA转录组,确定了一系列空间特异性网络和枢纽基因,这可能为不同组织的形成提供新的见解。总之,此研究为谷类花序发育的研究提供了有价值的资源,为产量改良提供了新的线索。

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图8. 发育中玉米穗的空间转录图谱

9. 水稻种子萌发过程中胚细胞的时空转录景观

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  • 期    刊:Developmental Cell

  • 影响因子:10.7

  • 发表时间:2024年6月6日

  • 发表单位:浙江大学

  • 原文链接:

  https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.05.016

表征种子萌发期间的细胞特征对于理解不同胚胎细胞在调节种子活力和幼苗建立中的复杂生物学功能是至关重要的。此研究使用空间增强分辨率组学测序(Stereo-seq)和单细胞RNA测序(scRNAseq)来捕获萌发水稻胚胎的空间分辨率单细胞转录组。为了满足分析需求,开发了一种采用深度学习的自动细胞分割模型。吸胀后6、24、36和48 h的空间转录组揭示了已知和以前未报道的胚胎细胞类型,包括两种未报道的鳞片细胞类型,并通过原位杂交和标记基因的功能探索得到了证实。时间转录组分析描绘了种子萌发过程中不同胚胎细胞类型的基因表达动态,突出了参与营养代谢、生物合成和植物激素信号传导的关键基因,以细胞类型特异性的方式重新编程。研究结果提供了水稻胚胎的详细时空转录组,并提出了一种以前未描述的方法来探索不同胚胎细胞在种子萌发中的作用。

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图9. 萌发水稻种子胚的时空和单细胞转录组学概况

10. 利用时空转录组学绘制百脉根根瘤器官发生的分子图谱

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  • 期    刊:Nature Communications

  • 影响因子:14.7

  • 发表时间:2024年7月29日

  • 发表单位:中国农业科学院深圳农业基因组研究所

  • 原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-50737-8

豆科植物通过形成根瘤获得固氮能力,将这种能力转移到更多的作物上可以减少我们对氮肥的依赖,从而减少环境污染和农业生产成本。根瘤器官发生是复杂的,全面的转录图谱对于理解潜在的分子事件是至关重要的。此研究利用空间增强分辨率组学测序(Stereo-seq)来研究模式豆科植物百脉根的根瘤发育。研究鉴定了根瘤内两个关键区域(感染区和周围组织)的发育轨迹,揭示了潜在的生物学过程,提供了实现共生和物质交换的基因集,这是结瘤的两个基本方面。候选调控基因中,LjNLP3,一种属于NIN样蛋白家族的转录因子,协调了根瘤从分化到成熟的转变。总之,研究结果推进了我们对根瘤器官发生的理解,并为开发共生固氮作物提供了有价值的数据。

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图10. 百脉根根瘤器官发生的空间转录组图谱

基于上述研究案例的盘点,说明scStereo-seq技术在植物研究中拥有巨大的应用潜力和前景。随着技术的不断发展和完善,相信该技术将在植物科学研究中发挥越来越重要的作用,可将其应用于如下方面:

01
推动植物发育生物学研究:

scStereo-seq技术将有助于构建植物器官的细胞类型图谱和生长谱系,推动植物发育生物学研究的深入。该技术可以应用于多种植物,解析其发育过程中的细胞分化和转录因子网络。

02
解析植物与微生物的相互作用:

空间转录组学技术还可以用于研究植物与微生物(如根瘤菌)之间的相互作用机制,揭示植物对病原菌的免疫反应等。这有助于理解植物与微生物群落的共生关系,提高农业生产的效率。

03
促进作物育种和抗逆机制研究:

在水稻、小麦、玉米等作物中,scStereo-seq技术可以用于挖掘优势关键基因,服务于高产、优质、抗逆作物品种的培育。该技术还可以解析作物对环境胁迫(如干旱、盐碱等)的响应机制,为作物育种提供新的思路和方法。

04
推动植物单细胞测序技术的普及:

随着scStereo-seq技术的不断发展和完善,其应用将越来越广泛。未来,该技术有望成为植物单细胞测序的常规工具,推动植物科学研究的进一步深入和发展。

如有空间转录组的需求,欢迎联系我们。

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