子科生物報道：高等植物個體由單個受精卵通過細(xì)胞分裂和分化而來。數(shù)量眾多、功能多樣的細(xì)胞組成了一套復(fù)雜而精密的調(diào)控系統(tǒng)。直徑大小不足100 μm的莖尖分生組織（shoot apical meristem）具有細(xì)胞多能性，它是所有植物地上部分組織和器官的來源，維持植物的“無限生長”。莖尖分生組織干細(xì)胞如何通過特定的分裂與分化軌跡發(fā)育成為不同的組織和器官是植物發(fā)育生物學(xué)的核心科學(xué)問題之一。

3月15日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員王佳偉課題組在Developmental Cell上，在線發(fā)表題為A single-cell analysis of the Arabidopsis vegetative shoot apex的研究論文。該研究在單細(xì)胞水平揭示了擬南芥莖尖細(xì)胞的異質(zhì)性（heterogeneity），通過轉(zhuǎn)錄組差異性分析重構(gòu)了完整的植物細(xì)胞周期圖譜，并刻畫了莖尖干細(xì)胞分化成為不同細(xì)胞類型的動態(tài)連續(xù)過程。

盡管單細(xì)胞RNA測序技術(shù)（scRNA-seq）正日益廣泛地應(yīng)用在植物科學(xué)研究中，但由于莖尖分生組織體積小、深埋于莖尖、細(xì)胞解離難度大，在單細(xì)胞水平揭示其異質(zhì)性和復(fù)雜性仍存在技術(shù)難度。通過不斷嘗試、優(yōu)化調(diào)整及莖尖組織的精準(zhǔn)分離，研究人員獲得36643個高質(zhì)量擬南芥營養(yǎng)期莖尖（vegetative shoot apex）和葉片組織單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。通過原位雜交和標(biāo)記基因分析，將這些細(xì)胞分別注釋為葉肉細(xì)胞、莖尖分生組織細(xì)胞、表皮細(xì)胞、保衛(wèi)細(xì)胞、韌皮部細(xì)胞、木質(zhì)部細(xì)胞、伴胞細(xì)胞和莖尖內(nèi)皮層細(xì)胞等23個細(xì)胞簇（cell cluster）。這些細(xì)胞簇分屬于7個細(xì)胞類群（cell population），其中，表皮細(xì)胞類群由莖尖分生組織L1層細(xì)胞發(fā)育而來，葉肉細(xì)胞和維管束細(xì)胞類群分別來源于分生組織的L2和L3層細(xì)胞。

通過細(xì)胞亞聚類分析，研究人員發(fā)現(xiàn)每個細(xì)胞類群中分屬G0/G1、S、G2和M期的細(xì)胞可組成一個完整的細(xì)胞周期環(huán)，展現(xiàn)出細(xì)胞周期進程的連續(xù)性（continuum）。通過重排過渡態(tài)細(xì)胞（transit-amplifying cells）和擬時間（pseudotime）分析，進一步重構(gòu)出氣孔細(xì)胞、韌皮部篩管細(xì)胞、木質(zhì)部導(dǎo)管細(xì)胞的精細(xì)發(fā)育軌跡圖，找到了細(xì)胞命運轉(zhuǎn)變過程中的中間態(tài)細(xì)胞，并描繪了相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，研究人員結(jié)合反向遺傳學(xué)，鑒定出幾個參與重力反應(yīng)和木質(zhì)部發(fā)育的新基因。

此外，該研究還深入考察了莖尖分生組織干細(xì)胞類群的異質(zhì)性。通過對細(xì)胞多能性轉(zhuǎn)錄因子STM陽性細(xì)胞（STM+ cell）的聚類分析，研究人員發(fā)現(xiàn)由多能性干細(xì)胞向表皮、葉肉或維管束的分化是一個連續(xù)漸變的過程。一些早期干細(xì)胞同時表達STM和葉片/維管束屬性基因。通過整合分析莖尖、葉片和根尖單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集，研究人員構(gòu)建了第一張擬南芥單細(xì)胞全景模式圖，發(fā)現(xiàn)地上和地下部分在表皮細(xì)胞和維管束分化中既存在相似性又具有不同的發(fā)育特征。

綜上，上述研究成果將植物莖尖分生組織的研究由傳統(tǒng)的組織器官水平提升到單細(xì)胞水平，相關(guān)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫的建立有利于檢索基因表達模式、深入挖掘參與植物細(xì)胞分裂和分化的基因；該研究建立的分析流程和研究策略為單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)在作物中的應(yīng)用提供了借鑒。

分子植物卓越中心博士后張?zhí)炱鏋檎撐牡谝蛔髡?，王佳偉為論文通訊作者，博士研究生陳瑜參與了該研究。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中國科協(xié)青年人才托舉工程和中國博士后創(chuàng)新人才支持計劃的資助。

原文標(biāo)題：

A single-cell analysis of the Arabidopsis vegetative shoot apex