【原】突破！首个水稻雌蕊单细胞图谱

随着单细胞测序（single-cell sequencing）的不断发展，使得对肿瘤、心血管等各种疾病的研究更加深入。但是单细胞测序也存在着一定的局限性，包括：新鲜样本很难获取，而冻存的组织无法制备高质量细胞悬液；细胞过于脆弱、易降解，在捕获时容易破裂；细胞形状不规则，或者直径过大，难以捕获等，这时，单细胞水平上的核转录组测序（snRNA-seq）应运而生。

植物单细胞核转录组测序具有以下显著优势：

1）研究对象广，如冻存样本以及较难制备原生质体组织均可适用，样品保存和运输更便捷；
2）直接抽核，降低细胞类型偏好性，获取更全面的细胞类型，发现稀有细胞类型，挖掘新Marker基因；
3）避免酶消化导致应激基因表达，减少“转录偏好”；
4）核内基因更多保持了转录本的异构体和可变剪接信息；
5）与scRNA-seq在细胞分群上趋于一致，具有类似的基因检出率。2023年发表在Developmental Cell（IF=11.8）上的文章“Single-nucleus sequencing deciphers developmental trajectories in rice pistils”，通过单细胞核测序首次展示了水稻雌蕊的单细胞转录组图谱。

研究背景

水稻是最重要的谷类作物之一，籽粒由稻壳覆盖的颖果组成，颖果为雌蕊授粉后发育的单种子果实。与拟南芥花发育过程不同，水稻胚珠原基和心皮原基在起始阶段分开，分别发育为胚珠和包裹胚珠的其他组织。了解水稻雌蕊的细胞构成、发育模式及基因表达特征对揭示水稻世代交替和种子发育调控机理至关重要。

研究思路

因水稻雌蕊难裂解制备原生质体，研究者采用单细胞核测序策略，选取即将开花的花序，收集不同发育阶段的雌蕊制备细胞核。通过流式细胞术分选，得到纯化的二倍体和潜在单倍体细胞核，并进行单细胞测序。由于水稻雌蕊无已知细胞类型特异标记基因，研究者通过大量原位杂交试验验证细胞群潜在标记基因，进而全新注释雌蕊细胞类型。

图1 利用snRNA-seq分析水稻雌蕊表达的工作流程

主要结果

1、水稻雌蕊纯化细胞核的snRNA-seq以及对细胞群的注释
       根据数据显示，水稻雌蕊的细胞可以明显分为两类，这两类细胞分别来源于心皮原基和胚珠原基。通过与已发表的水稻花序单细胞数据组和拟南芥花顶端分生组织单细胞核数据组进行比较，观察并描述了水稻雌蕊中不同细胞类型与同种/异种相关组织细胞之间的关系，从而证实了细胞类型全新注释的准确性。

图2 对水稻雌蕊中细胞群潜在标记基因以及对细胞类型全新注释的准确性的验证

图3 雌蕊、花序和花分生组织的单细胞核数据组比较

2、心皮原基和胚珠原基来源的细胞的发育轨迹分析

研究人员分析心皮原基和胚珠原基来源细胞的发育轨迹。结果显示，胚珠原基来源细胞具有“一枝两叶”结构，暗示雌配子体发育路径。比较两种发育分析工具的结果显示，珠心到雌配子体发育路径中基因表达多样性上升，推测珠心细胞在配子体产生过程中发生多能性重置。心皮原基来源细胞轨迹分析显示两次主要分叉，与柱头发育后期过程相关的钙信号在其中起到重要作用。实验证实，钙信号在柱头后期发育和功能发挥中具有重要功能。

图4 胚珠起源细胞的轨迹分析

图5 轨迹分析显示卵巢表皮特征在心皮起源的细胞

总结

综上，此项研究首次描绘了单子叶植物雌生殖器官的单细胞图谱，并鉴定了水稻雌蕊不同细胞类型的标记。这些发现为水稻雌蕊在开花前的细胞分化和发育提供了一个系统水平的视角，并为了解植物的雌性生殖发育奠定了基础。同时，该研究为在单细胞水平探索不易获取原生质体或没有已知标记的植物组织提供了很好的研究范式。

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参考文献：

Single-nucleus sequencing deciphers developmental trajectories in rice pistils. Developmental Cell, 2023.