山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花生栽培與生理生態(tài)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在花生空間轉(zhuǎn)錄組研究方面取得重要進(jìn)展

　　近日，山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花生栽培與生理生態(tài)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與青島華大基因研究院合作在中科院一區(qū)Top期刊Plant Biotechnology Journal（IF=13.263，Q1）在線發(fā)表了題為“Spatial transcriptome analysis on peanut tissues shed light on cell heterogeneity of the peg”（https://doi.org/10.1111/pbi.13884）的研究論文。山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院與青島華大共同開發(fā)了適用于花生等非模式植物的高分辨空間轉(zhuǎn)錄組制備技術(shù)，使用華大自主研發(fā)的500 nm微球陣列芯片，完成了對(duì)花生不同組織/細(xì)胞中的基因表達(dá)空間信息檢測(cè)，首次繪制了非模式植物空間基因表達(dá)圖譜，為植物微觀結(jié)構(gòu)和基因功能研究架起了新的橋梁，為植物發(fā)育和作物育種等研究提供了新的方法。

 

　　近年來，單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)取得快速發(fā)展，但其在植物領(lǐng)域的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)：部分植物組織分化程度較高，導(dǎo)致制備原生質(zhì)體困難；原生質(zhì)體制備過程中，無法保留細(xì)胞或組織即時(shí)的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，不適用于經(jīng)外界條件處理（如病原菌侵染、溫度變化等）的組織樣本；忽略了細(xì)胞在空間位置上的異質(zhì)性，無法獲取細(xì)胞空間位置信息，只能借助已知關(guān)鍵Maker基因，對(duì)細(xì)胞的位置進(jìn)行推測(cè)。而最新發(fā)展的空間轉(zhuǎn)錄組（時(shí)空組）技術(shù)能夠有效彌補(bǔ)單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的不足，既能實(shí)現(xiàn)在時(shí)間維度上解析細(xì)胞的發(fā)育分化軌跡，又能實(shí)現(xiàn)在空間維度上解讀每個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)特征。空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)因其強(qiáng)大的高通量基因表達(dá)原位表征能力，在生命科學(xué)研究中呈現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。

 

　　本研究首先改進(jìn)了植物樣品制備方法，創(chuàng)建了“兩步法”透化處理技術(shù)，極大地提高了植物mRNA的捕獲效率。對(duì)于分化程度較高的下胚軸皮層組織，其單個(gè)細(xì)胞區(qū)域的平均基因捕獲數(shù)量仍舊達(dá)到了1449個(gè)。此外，本研究所使用的植物材料在取材后數(shù)秒內(nèi)即完成冷凍固定，最大程度維持樣品中即時(shí)轉(zhuǎn)錄狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)一步利用該技術(shù)對(duì)花生4種組織進(jìn)行比較分析，揭示了花生果針這一特殊組織的細(xì)胞異質(zhì)性。花生具有地上開花、地下結(jié)果的生物特性。在受精后，花生雌蕊發(fā)育成果針并向地生長(zhǎng)，入土后在地下發(fā)育成果實(shí)。果針是花生特有的組織，其與莖具有相似的解剖學(xué)特征，而生理功能上卻與根相近。本研究將花生果針與莖、根、胚軸等具有類似結(jié)構(gòu)的組織進(jìn)行了空間轉(zhuǎn)錄組比較分析，解析了花生果針包含的不同細(xì)胞類群以及每個(gè)細(xì)胞類群的空間位置信息，明確了不同組織含有的細(xì)胞類型。研究發(fā)現(xiàn)，果針中僅在維管束區(qū)域（韌皮部和木質(zhì)部）的細(xì)胞類型與根和莖中的維管束區(qū)域相似，果針表皮、皮層和髓等部位的細(xì)胞類型與莖和根中均不相同，說明果針是一種與莖和根均有較大差異的組織。進(jìn)一步對(duì)果針中每個(gè)細(xì)胞類群的基因表達(dá)特征分析發(fā)現(xiàn)，果針尖端和中后部的表皮（外皮層）細(xì)胞被聚類為2個(gè)不同的簇（cluster）。功能分析顯示，參與糖苷和皂苷合成的基因在果針尖端的表皮中富集，用以保護(hù)果針尖端的胚珠不受地下害蟲的侵害；而感知環(huán)境信號(hào)的基因在果針中后部表皮中富集，賦予其能夠感知土壤刺激并在地下啟動(dòng)胚胎和果實(shí)發(fā)育的生物學(xué)特性。

 

　　山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院劉譯陽和青島華大基因研究院李春華為該論文的共同第一作者，我院萬書波研究員、李國衛(wèi)研究員及徐國鑫博士為該論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、泰山學(xué)者工程、山東省科技計(jì)劃項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)支持。