2024-10-18
嘿，你知道嗎？單細胞測序技術，這個在醫學領域早已大放異彩的科技利器，如今正以洶涌之勢席卷農學的廣闊天地。單細胞測序在醫學方向一路高歌猛進，為醫學領域的進步做出了巨大的貢獻。而近幾年，它在農學的水產、作物和禽畜等農學領域也越發火熱起來。眾多科研工作者紛紛投身其中，憑借單細胞測序技術發表了一篇又一篇極具價值的研究文章。在水產方面，它正悄然揭開水生生物神秘的細胞密碼；作物領域，它助力挖掘作物生長的深層奧秘；禽畜行業，它為禽畜的生長發育帶來新的突破。讓我們一同走進單細胞測序技術賦能下的農學新世界。
水產篇 案例1：無頜和有頜類脊椎動物淋巴細胞免疫系統的演化特征 英文標題：Discovery of an unconventional lamprey lymphocyte lineage highlights divergent features in vertebrate adaptive immune system evolution 發表期刊：Nature communications 影響因子：14.7 發表日期：2024.09 物種樣本：七鰓鰻的肝臟、血液、腸道和鰓 技術策略：scRNA seq+全轉錄組測序 DOI：10.1038/s41467-024-51763-2 淋巴細胞受體在有頜和無頜脊椎動物中獨立進化，具有相似的適應性免疫反應。然而，與有頜物種相比的無頜脊椎動物淋巴細胞中功能亞型和分子結構的多樣性尚不明確。在這項研究中，研究人員將單細胞 RNAseq 和全轉錄組測序相結合，以證明七鰓鰻 Lampreta morii 含有與有頜脊椎動物不同的特殊 T 樣細胞。該研究為理解七鰓鰻適應性免疫系統的復雜性提供了新的視角，也為探索適應性免疫的進化起源和多樣性提供了重要信息。并且通過對這些原始脊椎動物免疫機制的研究，可以更好地理解免疫系統的演化歷程，以及不同生物之間在免疫策略上的共性和差異。 案例2：軟、硬骨魚淋巴細胞保守和差異的進化特征 英文標題：Single-cell RNA sequencing illuminates the ontogeny, conservation and diversification of cartilaginous and bony fish lymphocytes 發表期刊：Nature communications 影響因子：14.7 發表日期：2024.09 物種樣本：軟骨魚（白斑竹鯊）和硬骨魚（斑馬魚和中國舌鰨魚） 技術策略：scRNA seq DOI：10.1038/s41467-024-51761-4 基于B細胞受體（BCRs）、T細胞受體（TCRs）和主要組織相容性復合體（MHC）的適應性免疫系統是有頜脊椎動物的共同特征。不同物種中，適應性免疫系統的基本特征相對保守，但在細胞和分子水平，仍具有一定的物種特異性。為了探究這一特征，研究人員通過單細胞測序技術展示了軟骨魚和硬骨魚免疫細胞的單細胞 RNA 測序圖譜，并系統地表征了這些物種免疫系統的細胞類型結構和免疫細胞的基因表達模式。通過對軟骨魚和硬骨魚進行跨物種譜系構建和跨物種比較分析，發現不同物種的相同細胞類型表現出相似的轉錄譜，其中，淋巴細胞中的直系同源基因表達模式具有較高的保守性。同時強調了跨物種淋巴細胞譜系功能和分子特征的多樣性，為理解有頜脊椎動物適應性免疫的起源與演化提供了新的線索。 案例3：斑馬魚跨組織揭示免疫細胞的異質性 英文標題：Cross-organ?single-cell?transcriptome profiling reveals macrophage and dendritic cell heterogeneity in zebrafish 發表期刊：Cell Reports 影響因子：7.5 發表日期：2023.07 物種樣本：成年斑馬魚的五個外周器官（表皮，腮，腸道，肝臟，心臟）和腦 技術策略：流式+scRNA seq DOI：10.1016/j.celrep.2023.112793 巨噬細胞（macrophages）和樹突狀細胞（DCs）是固有免疫系統的關鍵組成部分，它們在免疫應答、組織器官發育、穩態維持和損傷后修復中等過程中都發揮著重要作用。研究人員通過單細胞技術對成年斑馬魚的五個外周器官（表皮，腮，腸道，肝臟，心臟）和腦的進行分析，結果發現所有器官中都含有進化上高度保守的巨噬細胞和樹突狀細胞類群，并且揭示了各種組織特性型的巨噬細胞和樹突狀細胞類群。本研究增強了對斑馬魚中 巨噬細胞和樹突狀細胞 的理解，并為這些細胞的進一步發育和功能表征提供了有價值的工具。 作物篇 案例4：單細胞RNAseq揭示了控制大豆根瘤形成過程的新調控程序 英文標題：Single-cell transcriptome atlases of soybean root and mature nodule reveal new regulatory programs that control the nodulation process 發表期刊：plant communications 影響因子：9.4 發表日期：2024.08 物種樣本：大豆根系和成熟根瘤 技術策略：scRNA seq+Molecular CartographyTM DOI：10.1016/j.xplc.2024.100984 豆類與根瘤菌進行共生相互作用，根瘤是與固氮根瘤菌發生共生的器官。然后成熟大豆根瘤細胞的單細胞轉錄組圖譜還不明確。研究人員利用單細胞測序和分子制圖技術，精確描述了大豆根系和成熟根瘤細胞的單細胞轉錄組特征，揭示了成熟大豆根瘤被重氮雙歧桿菌（B. diazoefficiens）侵染后不同細胞亞群的共存模式，此外作者借助根瘤單細胞轉錄組圖譜和相關基因共表達網絡分析證實了已知結瘤相關基因在大豆結瘤中的作用，還在功能上表征了 GmFWL3 的作用，GmFWL3 是一種控制根瘤感染的質膜微結構域相關蛋白。該研究揭示了成熟大豆根瘤獨特的細胞復雜性，并有助于在考慮大豆根瘤的感染區時重新定義細胞類型的概念。 案例5：單細胞轉錄組揭示植物對真菌感染的細胞類型特異性響應 英文標題：Cell-type-specific responses to fungal infection in plants revealed by single-cell transcriptomics 發表期刊：Cell Host & Microbe 影響因子：20.6 發表日期：2023.09 物種樣本：擬南芥幼苗 技術策略：scRNA seq DOI：10.1016/j.chom.2023.08.019 病原體感染是一個動態過程。為深入探究病原體感染期間植物反應的轉錄異質性，研究人員使用單細胞測序技術對植物在真菌病原體感染下的反應展開研究。通過對感染真菌病原體 Colletotrichum higginsianum 的擬南芥葉進行分析，揭示了細胞類型特異性基因表達，尤其是脈管系統細胞中細胞內免疫受體富集。通過軌跡推斷識別與入侵真菌有不同相互作用的細胞。分析還發現保衛細胞中有脫落酸信號傳導的轉錄重編程，與依賴真菌直接接觸的氣孔閉合一致。此外，研究了真菌感染部位細胞中參與硫代葡萄糖苷生物合成基因的轉錄可塑性，強調了表皮表達的 MYB122 對抗病性的貢獻。強調了植物對真菌病原體反應的空間動態和細胞類型特異性，為植物 - 病原體相互作用研究提供寶貴資源。 案例6：單細胞轉錄組圖譜和棉花花藥發育中的調控動力學 英文標題：Single-Cell Transcriptome Atlas and Regulatory Dynamics in Developing Cotton Anthers 發表期刊：Advanced science 影響因子：14.3 發表日期：2023.11 物種樣本：棉花花藥 技術策略：scRNA seq DOI：10.1002/advs.202304017 植物花藥由不同的特殊細胞類型組成，在植物繁殖中具有不同的作用。高溫 （HT） 應激導致雄性不育，導致作物減產。然而，花藥發育和響應 HT 期間的空間表達圖譜和調節動力學在很大程度上仍然未知。研究人員通過單細胞測序分析建立了棉花花藥中的第一個單細胞轉錄組圖譜和染色質可及性調查，描述了花藥中每種細胞的特定表達和表觀遺傳景觀。減數分裂細胞、絨氈層細胞和中間層細胞發育軌跡的重建不僅鑒定了新的表達基因，還闡明了中間層的精確降解期，揭示了絨氈層細胞在 tetrad 階段的快速功能轉變。通過應用 HT，花藥細胞之間顯示了 HT 反應的異質性，并發現負責花粉壁合成的絨氈層細胞對 HT 最敏感。總的來說，這項研究提供了有關花藥的大量信息，并為耐熱作物的創造提供了線索。 案例7：單細胞+空轉揭示了果實衰老的時空軌跡 英文標題：Single-cell and spatial RNA sequencing reveal the spatiotemporal trajectories of fruit senescence 發表期刊：Nature communications 影響因子：14.7 發表日期：2024.04 物種樣本：火龍果果皮 技術策略：scRNA seq+空轉 DOI：10.1038/s41467-024-47329-x 果實作為開花植物中獨特的發育器官，在種子形成和植物繁殖中起著至關重要的作用。其衰老是一個復雜的生理過程，果皮內有多種細胞類型，這使得闡明它們在果實衰老中的個體作用極具挑戰性。本研究構建了火龍果果皮 （Hylocereus undatus） 的單細胞表達圖譜，揭示了在果實衰老過程中經歷最顯著變化的外果皮和中果皮細胞。通過擬時序分析確定衰老過程中的細胞分化和基因表達軌跡。研究揭示了早期反應因子 HuCMB1 在衰老調控網絡中的核心作用。本研究為更深入地了解植物的動態衰老過程提供了時空視角。 禽畜篇 案例8：單細胞測序技術構建豬原腸細胞圖譜為比較胚胎學提供新資源 英文標題：A single-cell atlas of pig gastrulation as a resource for comparative embryology 發表期刊：Nature communications 影響因子：14.7 發表日期：2024.06 物種樣本：豬胚胎 技術策略：scRNA seq DOI：10.1038/s41467-024-49407-6 在嚙齒動物胚胎之外，人們對哺乳動物原腸胚形成過程中的細胞命運決定知之甚少。研究人員通過單細胞測序技術構建豬原腸胚的單細胞轉錄組圖譜，揭示了細胞命運的出現動力學，以及控制早期豬、靈長類動物和鼠發育的保守和分歧基因程序。并且強調了胚外細胞類型的異時性，盡管細胞類型特異性轉錄程序被廣泛保守。該研究揭示了豬、靈長類動物和小鼠在中胚層或內胚層命運決定方面的主要相似性，以及這些事件的相對時間的差異。 案例9：在單細胞水平提供雞卵巢左右不對稱發育的見解 英文標題：Insights into left-right asymmetric development of chicken ovary at the single-cell level 發表期刊：J Genet Genomics 影響因子：6.6 發表日期：2024.08 物種樣本：雞胚卵巢 技術策略：scRNA seq+空轉 DOI：10.1016/j.jgg.2024.08.002 禽卵巢的發育不對稱，只有左側卵巢更傾向于功能性器官生長，而右側卵巢則逐漸退化。研究人員對雛雞左右卵巢六個不同胚胎發育階段進行單細胞轉錄組測序分析，揭示雞胚卵巢不對稱發育機制。研究發現左側卵巢有皮質細胞、合子生殖細胞及左側特有的轉錄變化，差異基因表達分析確定了這些細胞類型中的特異性標志物和通路，凸顯卵巢發育不對稱性。對生殖細胞減數分裂轉錄組精細分析揭示七個不同簇及特定階段基因表達模式，確定信號通路和細胞間通訊，尤其是前顆粒細胞與生殖細胞間的；空間轉錄組分析顯示不對稱性，皮層細胞僅在左側卵巢，通過分泌信號分子調節鄰近細胞類型。總體而言，本研究提供了對禽卵巢不對稱發育的分子機制的見解，特別是皮層細胞在左側卵巢中的重要作用。 案例10：通過單細胞測序+單細胞ATAC對牛骨骼肌發育進行轉錄和開放染色質分析 英文標題：Transcriptional and open chromatin analysis of bovine skeletal muscle development by single-cell sequencing. 期刊：Cell proliferation 影響因子：5.9 日期：2023.03 物種樣本：牛骨骼肌 技術策略：scRNA-seq 和 scATACseq DOI ：10.1111/cpr.13430 骨骼肌是一種復雜的異質組織，表征其細胞異質性以及轉錄和表觀遺傳特征對于理解其個體發育的細節非常重要。研究人員應用 scRNA-seq 和 scATAC-seq 技術來研究細胞類型、分子特征、轉錄和表觀遺傳調控，以及從妊娠、哺乳和成年階段牛骨骼肌的發育模式。并且通過整合 scRNA-seq 和 scATAC-seq 結果，揭示了一系列特異性表達的轉錄因子。該研究概述了正常牛骨骼肌發育的單細胞動態染色質/轉錄景觀;這些為了解哺乳動物骨骼肌的結構和功能提供了重要資源，這將促進其生物學研究。
