【文献分享】拟南芥叶片空间转录组

空间转录组（Spatial Transcriptomics）是测量完整组织切片的总mRNA，将总mRNA的空间信息与形态学内容相结合，并绘制所有基因表达发生的位置，获得生物过程复杂而完整的基因表达图谱。在确定不同细胞群的同时保留空间位置，为细胞功能、表型和组织微环境中位置的关系提供了重要信息。可揭示精细生理区域中激活的信号通路，完成分子特征驱动生物特征的机制解析。

Nature Methods将空间转录组学评价为2020年度方法，空间转录组方法最近今年越来越受到欢迎，它将带领组学在生物学的研究上进入新的阶段。从转录组测序到实现单细胞转录测序，这一过程为精确认识不同细胞类型提供了巨大的帮助。现在，新的空间转录组方法不仅带来转录组信息，同时还提供空间信息，帮研究者更好辨别转录的位置，进一步扩展到单细胞分辨率，这会更大程度提升对单个细胞的认识和解读。

因此，相比于单细胞测序，空间转录组能告诉我们另外一层的信息就是：空间位置信息。

相比于在人和动物中的发展，植物里面这方面的研究还相对比较少。今天分享一篇前几天online的华大发表的一篇关于植物空间转录组的文章。

植物单细胞方面的研究，叶片的文章已经有好几篇了。这篇文章选取的是样本为6周龄的拟南芥茎生叶，拟南芥品种为野生型Columbia-0。

众所周知，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。

文中第一部分，作者主要阐述了他们自主研发的植物空间转录组Stereo-seq技术（下图A）。通过实验筛选，他们选取了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。最后，总共获得了13,950个高质量高数据量的单细胞数据（下图B）。

针对于这个技术和结果，作者先进行了可靠性方面的验证。首先可以把细胞分为4种类型，6种亚型（下图A），这个和单细胞的结果基本类似，但是，和单细胞不同的是，可以获得细胞的空间分布信息。然后对比了4种类型的几个参数指标：gene num， UMI num，percentage of mitochondrial genes等，也相差不多，基本类似（下图B）。然后鉴定了四种类型的marker gene（下图C），基本也是以前报道过的比较重要的marker gene。然后，作者又和以前的bin20方法进行了对比，发现不管是用所有的marker基因还是top5的marker基因，他们方法鉴定出来的能表达的cell数目都是远远多于bin20的（下图D）。从PCA聚类结果来看，相同的细胞类型也是紧紧聚在一起的（下图E/F）。从而，说明结果的可靠性，可以用于后续的分析。

接下来，作者主要探索了空间转录组数据的应用优势，尤其是相对于单细胞数据。作者指出在以前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。例如，叶片表皮细胞中的上、下表皮细胞，叶肉细胞中的栅栏细胞和海绵细胞。但是通过空间转录组的切片和位置信息，则可以做到很好的区分。比如在下图A中，作者用几个marker gene发现有时候很能区分，但是通过细胞的空间位置分布，很容易的就可以区分上下表皮和不同的叶肉细胞。图C中作者重点分析了表皮细胞，也是可以明显发现，利用单细胞数据，聚类上面是区分不开的，但是空间转录组则完全可以区分。然后作者对比了上下表皮细胞的差异基因（下图D），并对差异基因进行了富集分析，发现上表皮很多光合作用和能量代谢的基因，但是下表皮则很多stress响应相关的基因。

接着，作者利用时空位置信息，探索了基因的空间表达差异。根据叶片上的空间分布，作者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（下图A）。首先基于所有的细胞，根据基因表达，划分成了3个pattern（下图B）。然后对于每个pattern，做了GO富集分析。结果发现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（下图C/D）。然后只利用叶肉细胞做了同样的分析，也是根据基因表达分成了3个pattern（下图E），做了每个pattern的GO富集分析（下图F/G），结果发现叶肉细胞的pattern2和pattern3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。

和单细胞的轨迹分析一样，作者也尝试利用空间位置信息来探索不同细胞的空间发育轨迹。作者做了两类细胞类型：维管束细胞（下图A-C），表皮细胞/保卫细胞（下图D-F）【当然我不清楚为啥放了这两类，好像也没有分析叶肉细胞】。结果发现在维管细胞中，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。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，但是表皮细胞有什么规律，作者并未阐述。

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