诺禾单细胞测序助力杨树茎干组织的单细胞转录组图谱绘制

2021年11月22日，诺禾致源单细胞客户在Genome Biology（IF=13.583）上发表了题为“Transcriptional landscape of highly lignified poplar stems at single-cell resolution”的研究论文，该研究利用单细胞测序技术构建了杨树茎干组织的单细胞转录组图谱，诺禾单细胞在此研究中提供单细胞建库测序及数据分析服务。

研究背景

与草本植物不同，多年生木本植物可通过维管形成层的细胞活动实现树木横向加粗生长，即次生生长，植物的次生生长依赖于维管形成层的活性，维管形成层产生木质部和韧皮部。来自木质部的木材是全球最丰富的生物质形式，在整个人类历史中发挥着关键的社会经济和生存作用，为人类社会提供必需的木材资源。研究树木茎干的细胞组成、基因表达特征和分化过程，对于理解树木的次生生长具有重要意义。

研究思路

研究结果

1. 杨树茎干单细胞转录图谱的构建

研究者应用了优化的原生质体分离方案，分别选取杨树茎干组织的木质部和韧皮部进行原生质体分离，通过10X Genomics平台分选捕获单细胞，illumina平台测序，获得了6,796个cells，并根据细胞特异性标记基因将其划分为20个clusters，鉴定了包含表皮、内皮层、筛管和伴胞、形成层和木质部等在内的15个主要细胞群，如下图1所示。

图1 杨树茎干原生质体的分离与细胞群的鉴定

2. 韧皮部细胞的分化轨迹

紧接着研究者通过对标记基因的表达动态分析，构建了韧皮部和木质部细胞的连续分化轨迹（图2和图3）。其中韧皮部分化轨迹以韧皮母细胞（Phloem mother cell）为起始，继而分化为筛管（Sieve Element, SE）和伴胞（Companion Cells, CC）；而木质部的细胞分化轨迹由形成层和木质部母细胞为起始，继而向薄壁细胞、次生壁加厚的纤维和导管细胞（Fiber and Vessel）两大分支分化。根据这些分化轨迹上关键基因的动态表达特征，揭示了杨树茎干组织中韧皮部和木质部细胞分化的分子机理，并绘制了植物激素合成和响应相关基因的细胞表达图谱。

图2 韧皮部细胞分化轨迹

图3木质部细胞的分化轨迹

3. scRNA-seq预测杨树茎干发育过程中潜在的基因冗余

除此之外，由于杨柳科植物近期经历过一次全基因组加倍事件，导致同源基因的功能存在冗余性，不利于杨树的基因功能研究。因此，研究者对单细胞转录组数据开展了进一步的比较研究，对这些同源基因在杨树茎干发育过程中的功能冗余程度进行了预测，鉴定了林木中与维管发育相关的候选基因，为深入解析杨树维管细胞分化的分子机制提供了重要依据，如下图4。

图4 scRNA-seq预测潜在的基因冗余

结论

以上这些发现建立了杨树茎干主要细胞类型的单细胞分辨率转录景观，为研究维管细胞的分化及其分化的基本原理提供了有价值的资源。