将单细胞RNA测序（scRNA-seq）和短链RNA测序（snRNA-seq）与空间转录组学相结合，以解开木质部的奥秘

《Genome Biology》：Integrating scRNA-seq and snRNA-seq with spatial transcriptomics to unlock the xylem puzzle

本研究通过整合scRNA-seq和snRNA-seq技术，揭示了杨树茎发育木质部形成过程中次生细胞壁沉积与程序性细胞死亡的转录协调机制，并证实早期细胞异质性更高，为复杂发育轨迹分析提供了新方法。

　　

摘要

背景

木质部发育是一个动态的、连续的过程，对木本植物的次生生长以及地球上的生物量积累至关重要。虽然单细胞RNA测序（scRNA-seq）能够重建早期木质部分化轨迹，但由于其依赖于原生质体的分离，因此无法获取具有增厚次生细胞壁的晚期细胞信息，导致诸如次生细胞壁沉积和程序性细胞死亡等关键阶段的研究不够充分。

结果

我们对Populus的茎部发育中的木质部进行了单核RNA测序（snRNA-seq），并结合了之前的scRNA-seq数据集，以重建木质部形成的完整发育图谱。解剖学验证表明，scRNA-seq主要反映了早期茎部发育中的木质部特征，而snRNA-seq则更多地捕获了负责次生细胞壁沉积的深层细胞。综合分析揭示了一个在空间和转录水平上均明确的次生细胞壁区域，这一发现得到了木质素自荧光现象以及其与激光捕获显微切割技术获得的转录组数据的相关性的支持。差异表达分析和基因本体论分析显示，与木质素生物合成和程序性细胞死亡相关的基因表达显著增强，这表明次生细胞壁的形成和程序性细胞死亡的启动在转录水平上是协调一致的。无监督聚类和基于支持向量机的机器学习进一步表明，早期木质部细胞之间的转录组异质性高于晚期细胞。

结论

我们的研究结果表明，scRNA-seq和snRNA-seq平台具有高度的兼容性和互补性。这种整合方法不仅克服了单一技术的关键局限性，还为解析植物复杂的发育过程提供了实用且可扩展的框架。它成功重建了从形成层前体到次生细胞壁形成乃至程序性细胞死亡整个木质部发育的连续过程。