时空组专辑数据库文献详解 | 拟南芥叶片单细胞空间转录组图谱

深圳华大生命科学研究院等在自主研发的时空组学技术Stereo-seq基础上，针对植物样本具有细胞壁这一特性，建立了一套适用于植物的、单细胞化的空间转录组技术scStereo-seq（single-cell SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing）。研究团队将其示范应用于模式植物拟南芥（Arabidopsis）的叶片研究中，对上、下表皮细胞、栅栏细胞、海绵细胞的转录组特征进行了详细解析，攻克了长期以来研究人员无法对叶片中高度相似细胞类型的分子特征进行有效解析的难题。该文章在2022年5月4日作为专辑文章之一发表于Developmental Cell。

研究人员还构建了一个拟南芥叶片单细胞空间转录组图谱数据集（https://db.cngb.org/stomics/datasets/STDS0000104）。

# 拟南芥叶片单细胞空间转录组图谱

该数据集包含由植物细胞壁染色与Stereo-seq高分辨率空间转录组技术相结合产生的数据，展示了拟南芥叶片中的第一个原位单细胞转录组分析。同时此研究证明了从主脉到叶缘存在细胞类型特异性空间基因表达梯度。重建这些梯度，首次根据特定细胞类型的空间分布显示其发育轨迹。用户可通过数据集页面快速获取研究内容梗概、样本信息、时空聚类分析结果，同时还能直接下载研究数据。

期刊：Developmental Cell

数据编号：CNP0002618

以下是此项研究成果的详细解读，读者可结合拟南芥叶片单细胞空间转录组图谱快速获取文献概要、研究数据、数据可视化分析结果等关键信息。

研究背景

叶片是植物的重要器官之一，能够通过光合作用将光能转变为生物能。叶片的细胞组成主要包括叶肉细胞、表皮细胞、保卫细胞和维管细胞，其中叶肉细胞可以进一步分为栅栏细胞和海绵细胞，而表皮细胞可以分为上、下表皮细胞。这些细胞在叶片的发育和功能发挥中扮演着不同的角色，如果找到合适的工具系统性地区分并研究这些细胞的功能和调控网络，将促使人们进一步了解叶片的工作机理，从而推动在光能转化以及农业育种方面的研究进程。而基于单细胞组学开发而来的空间转录组测序技术，作为一项新兴技术，其开发和应用克服了sn/scRNA-seq技术难以识别相似细胞类群的限制，使得科研工作者能够在解析空间维度上单细胞表达模式的同时，进一步探究细胞类群的空间位置关系和生物学特征，为提供详细的分子图谱带来了巨大的潜力。

材料和方法

研究样本：样本为6周龄的拟南芥茎生叶，拟南芥品种为野生型Columbia-0。

研究策略：基于华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，深圳华大生命科学研究院夏科科团队结合植物样本拥有细胞壁这一特性，针对技术流程进行了优化和改良，建立了一套适用于植物的单细胞级的空间转录组技术流程scStereo-seq，并将其示范应用于拟南芥叶片的时空组学研究中。

通过对6周龄的拟南芥茎生叶进行了取样、实验和测序分析，在验证scStereo-seq技术在植物样本中应用的可靠性及优越性的同时，详细分析了拟南芥叶片中不同基因的空间表达变化以及不同细胞群体的空间发育轨迹，描绘了叶片中不同细胞类型的转录组空间变化（https://db.cngb.org/stomics/datasets/STDS0000104）。

研究结果

1. scStereo-seq技术的建立和应用

基于华大自主研发的Stereo-seq技术，研究团队成功开发了适用于植物的单细胞空间转录组技术（scStereo-seq），并将其应用于植物叶片样本研究中（图1A）。通过取样、实验和分析筛选，研究人员筛选出来自于4张时空芯片的26个拟南芥叶片样本进行了整合以及基础数据集的构建，通过质控和过滤，总共获得了13,950个高质量高数据量的单细胞数据用于后续分析。

2. 单细胞水平上鉴别细胞类型间的转录组差异

因为该研究属首次在单细胞水平上将空间转录组技术应用于植物样本中，因此在获得高质量高数据量的叶片空间数据（图2A）后，研究人员首先对scStereo-seq技术在植物样本中应用的可靠性进行了验证。通过经典marker的检验和可视化、单细胞聚类分析、主要细胞类型鉴定和功能分析等方法多方面地进行了分析和评估，发现scStereo-seq技术能够提供高清的细胞内转录组特征，对不同细胞类型的鉴定具有较高的分辨率（图2C、2E、2F），这些结果充分展现了scStereo-seq技术在植物单细胞研究应用中的可靠性。

3. 评估scStereo-seq技术在植物样本中应用的优越性

在分析scStereo-seq技术的可靠性之后，研究人员对其在植物研究应用中的优越性进行了探索。在过往的植物单细胞研究中，部分细胞亚型往往因分子特征高度相似而难以通过单细胞等技术得到有效地区分和研究（如表皮细胞中的上、下表皮细胞，叶肉细胞中的栅栏细胞和海绵细胞），而scStereo-seq技术可以在获得单细胞空间表达数据的同时，根据切片的图像信息对切片样本中形态清晰的细胞进行鉴定和注释。通过将空间信息与转录组数据结合分析，成功将表达相似的上、下表皮细胞（图3C），以及栅栏细胞、海绵细胞区分开来，并对这些相似细胞类型间的差异和功能（图3D、3E）进行了研究。

4. 基于时空数据探究基因的空间表达差异

为了探究基因的空间表达差异，研究人员首先从叶片中间向两端的方向划分成了4个区域（0区为主叶脉，3区为叶边缘），并以此为基础在细胞中进行了基因表达模式分析（图4A），结果表明，光合作用效率从主叶脉到叶缘逐渐增加，而主叶脉的主要角色是与物质运输相关（图4B~4D）。鉴于光合作用过程主要发生在叶肉细胞当中，研究人员又进一步对叶肉细胞中的基因表达模式进行了分析，分析结果与之前的分析一致。有意思的是，叶肉细胞的pattern 2和pattern 3的基因显著富集于物质运输与高渗机械刺激等反馈相关的GO中，表明0区的叶肉细胞与维管细胞之间可能存在较为频繁的物质交换（图4E~4G）

5. 解析不同类型细胞的空间发育轨迹

已有研究表明，叶脉与叶边缘的细胞存在分化上的差异，但不同类型细胞的具体发育模型还不清楚，通过拟时序分析，研究人员发现在维管细胞中，主叶脉区域的细胞相较于叶缘其分化程度更低，拥有更高的多功能干性（图5A~5C）。而在表皮和保卫细胞中，保卫细胞显著富集于发育轨迹的一支，但它们在空间上没有表现出明显差异（图5D~5F）。

总结

叶片是植物主要的光合作用器官，同时也在植物的环境胁迫响应过程中扮演着重要的角色。对植物叶片中不同细胞类型表达特征的深入研究能够促使人们更好地理解叶片的发育和功能机制以及其对环境胁迫的响应和反馈。

研究团队利用华大自主研发的时空组学技术，成功地揭示了拟南芥叶片复杂的细胞特性和时空基因表达特性，彰显了植物单细胞空间转录组技术在植物基础科学研究和作物育种研究中的巨大应用价值和潜力：1）在水稻、小麦、玉米等作物的种子发育，以及抗旱、耐高温和耐盐等抗逆机制解析中，可以利用其超高单细胞分辨率的独有优势，进行优势关键基因的挖掘，服务于高产、优质、抗逆作物品系的培育；2）该技术也为研究和解答植物为何能够相对容易嫁接、扦插和再生等有趣的科学问题提供了有效方法，指导现实生产生活。

参考文献：

Xia K, Sun H X, Li J, et al. The single-cell stereo-seq reveals region-specific cell subtypes and transcriptome profiling in Arabidopsis leaves[J]. Developmental Cell, 2022, 57(10): 1299-1310. e4.