2024-01-19
單細胞測序(Single-cell sequencing)是在單細胞分辨率下研究細胞異質性及其在微環境中作用的技術，為基礎科學研究、藥物研發、腫瘤治療與未來的臨床疾病研究提供了強有力的工具。我們發現近幾年單細胞的研究不再局限于醫學研究領域，該項技術已逐漸在農學動植物研究中展開應用。其中農學動物主要在家畜配子發生、早期胚胎發育的分子機制、肌肉發育和營養代謝調控等領域被廣泛應用。在植物科學領域，越來越多從事植物研究的科研工作者，選擇單細胞技術進行組織細胞類型鑒定、細胞類型差異、細胞進化與起源等方面的研究。
接下來小派分享派森諾生物參與合作發表的2篇農學領域項目文章的研究思路~
研究背景 肌間刺 (IBs) 是一種礦化的針狀體，存在于許多魚類肌隔中，但不是所有的硬骨魚物種都有。IBs 通常又小又尖銳，因此限制了魚的加工方式，如果它卡在消費者的喉嚨或嘴里，會造成傷害或創傷，從而影響魚對許多消費者的吸引力。硬骨魚 IBs 的發育機制和分子基礎目前尚未完全了解，仍有待研究。已有研究證明，IBs起源于肌間隔肌腱的膜內骨化。在哺乳動物中，肌腱祖細胞的成骨分化能力已被確定，但硬骨魚從肌腱祖細胞到成骨細胞分化的分化模式和分子機制尚不清楚。
研究材料 本研究取 60dpf 野生型斑馬魚的尾肌進行單細胞轉錄組測序。
研究思路
研究結果 研究通過scRNA-seq獲得了 60dpf 野生型斑馬魚 (包含典型IBs型) 尾部肌肉組織共13075個細胞，鑒定了18個細胞群（圖 A）。研究者使用 monocle2對肌腱祖細胞、成熟肌腱細胞、分化肌腱細胞和成骨細胞進行了擬時序分析，研究IBs相關成骨細胞的起源，富集分析顯示多個成骨細胞簇基因 (id2a、thbs1b、nog3、nog2、 tgfb3) 在TGF-β/BMP信號通路中富集。對不同分化軌跡的表達模式的分析確定了10個參與IBs形成的關鍵候選基因 (runx2a, runx2b, sost, bmp2a, scpp1, spp1, entpd5a, entpd5b, sox11b 和 ccn4b)（圖 B）。為了進一步確 定調控 IBs 形成的關鍵基因，利用 CRISPR-Cas9 發現，runx2b-/- 突變體的 runx2b 蛋白和 IBs 表型與野生型有顯著差異。顯微 CT 掃描和骨組織染色也顯示突變體中 IBs 完全消失（圖 C）。隨后，對 60dpf 的 runx2b+/+ 和 runx2b-/- 斑馬魚的IBs組織進行了scRNA-seq，發現突變體中，成骨細胞幾乎消失，肌腱細胞亞群與總細胞數相比的百分比也出現了不同程度的下降。且runx2b+/+ 和 runx2b-/- 成骨細胞簇之間的差異表達基因在TGF-β/BMP通路中顯著富集（圖 D）。進一步闡明了runx2b對成骨細胞分化和IBs形成的促進作用。
研究背景 萜類化合物是一類多樣化的代謝產物，自然存在的萜類化合物超過50000種。植物在應對不同環境時會合成不同的萜類化合物，一些特殊的萜類化合物在傳粉、種子傳播和防御等過程中發揮重要的作用，它們的合成發生在植物的特定器官。腺體存在于棉花的葉片、莖和種子中，負責積累各種非揮發性萜類化合物（例如棉酚），這些萜類化合物的合成源于甲羥戊酸途徑（mevalonate (MVA) pathway）。為了抵御植食性昆蟲的侵襲，棉花葉片釋放復雜的揮發性萜類。盡管一些研究已經報道了萜類化合物合成酶和轉錄調控因子的鑒定，然而不同萜類化合物的時空調控仍然缺乏清晰的認識。
研究材料 發育15天的棉花真葉（水培），解離原生質體。
研究思路
研究結果 作 者 通 過 scRNA-seq 獲 得 了 發 育 15 天 的 棉 花 真 葉 組 織 22163 個 高 質 量 細 胞。通 過 聚 類 分 群 得 到 14 個 clusters，通過 marker 基因注釋和原位雜交驗證鑒定到 6 種細胞類型：分別是葉肉細胞（MCs）、表皮細胞（ECs）、 保衛細胞（GCs）、維管束細胞（VCs）、增殖細胞（PCs）和分泌型腺體細胞（SGCs）（圖 A）。結果顯示：分泌型腺體細胞特異表達棉酚合成途徑、上游甲羥戊酸途徑（MVA）、揮發性單萜和倍半萜合成的萜類合酶等編碼基因（圖 B、D）。結合結合單細胞和多組織轉錄組數據，精確鑒定到了兩個新的、特異表達在腺體細胞中的轉錄因子GoHSFA4a和GoNAC42（圖 C）。進一步通過順式作用元件預測、雙熒光素酶、EMSA 和酵母單雜交實驗表明GoHSFA4a 和 GoNAC42 通過激活特定的棉酚合成和 MVA 途徑基因，從而調節棉酚型代謝物的生物合成。
派森諾單細胞平臺在農學研究方向上具有豐富的項目經驗，涉及到的樣本類型十分廣泛，包含水產生物、家禽家畜、經濟作物、 經濟樹種等，為您的國自然項目保駕護航！
