該研究通過創(chuàng)新的數(shù)據(jù)整合方法，將深度單細胞RNA測序數(shù)據(jù)與空間基因表達數(shù)據(jù)相結合，首次實現(xiàn)了在大麥組織中以細胞分辨率解析超過40,000個基因的表達圖譜。該研究揭示了大麥從分生組織及器官起始細胞命運決定到特定花器官起始過程中的關鍵轉錄事件與時空軌跡，闡明了大麥花序和花器官發(fā)育的遺傳調控基礎，為未來精準定向改良大麥農藝性狀提供了全新的研究工具和理論基礎，具有重要的科學意義和應用價值。百邁客生物為該研究提供了轉錄組測序服務。

研究背景

禾本科植物的花序是復合結構，包含一系列作為干細胞巢的分生組織。這些分生組織在身份和壽命上各不相同，產(chǎn)生分支或分裂形成最終產(chǎn)生種子的花分生組織。在分生組織內部，特定的細胞類型由位置信息和基因調控網(wǎng)絡的區(qū)域性活性所決定。然而，目前的技術難以獲取基因表達譜的精確時空信息，從而限制了對這些局部微環(huán)境及復雜發(fā)育過程的理解。盡管已有一些單細胞轉錄組數(shù)據(jù)可用于禾本科物種，但要推斷復雜組織內細胞的起源和命運，仍需依賴已知標記基因的表達譜進行間接推測。

研究結果

深度單細胞RNA測序數(shù)據(jù)

本研究首先通過深度單細胞RNA測序（scRNA-seq）技術，分析了參考品種“Golden?Promise”在特定發(fā)育階段的營養(yǎng)莖尖分生組織和幼穗細胞，獲得了超過16,000個高質量單細胞的轉錄組信息，出于實驗設計嚴謹?shù)目紤]，通過比較完整組織和原生質體組織的bulk?RNA-seq數(shù)據(jù)去除了原生質體分離過程中誘導產(chǎn)生的差異基因，并鑒定出代表維管束、原套、內體層和分裂細胞等不同譜系的細胞集群。

圖1. 大麥發(fā)育尖端的器官形成

空間基因表達數(shù)據(jù)

然后，研究進一步通過高分辨率多重單分子RNA熒光原位雜交技術，在組織切片上以納米級精度定位和定量了86個已知或預測標記基因的表達，并構建了空間表達矩陣。最終，研究者開發(fā)了一種定制化的數(shù)據(jù)插補方法，將空間有限的smRNA-FISH數(shù)據(jù)作為錨點，與全面的scRNA-seq數(shù)據(jù)集進行整合，成功地預測了組織切片上所有48,904個大麥基因在每個細胞中的表達水平，并構建了用戶友好的在線圖譜BARVISTA。這一系列工作說明，整合單細胞與空間轉錄組數(shù)據(jù)能夠以前所未有的時空分辨率重建大麥分生組織發(fā)育的動態(tài)基因表達圖譜。

圖2. 植物SAM中原基形成和分生組織結構的模型，以及發(fā)育中的花序示意圖

研究總結

該研究的核心意義在于成功開發(fā)并驗證了一種可靠的數(shù)據(jù)整合與插補策略，彌補了當前空間轉錄組技術通量有限和單細胞測序缺乏空間信息的鴻溝。所構建的BARVISTA在線數(shù)據(jù)庫和虛擬顯微切割工具，使研究人員能夠直觀地探索大麥發(fā)育過程中的基因表達模式，并精準解析特定細胞群體的表達特征。這項成果不僅為深入理解植物分生組織維持、器官起始和花發(fā)育的基因調控網(wǎng)絡提供了強大框架，也為分子層面精準表征復雜突變體表型、鑒定關鍵調控因子開辟了新途徑。

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