2022年10月19日，北京博奧晶典生物技術(shù)有限公司合作南京中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院的吳啟南教授和浙江大學(xué)作物科學(xué)研究所和生物信息學(xué)研究所的樊龍江教授課題組的研究人員在?Front. Plant Sci.?上發(fā)表了荊芥嫩葉單細胞轉(zhuǎn)錄圖譜的相關(guān)研究，并基于擬時間分析揭示了腺毛的分化軌跡。該文章是國內(nèi)第一篇中草藥植物的單細胞轉(zhuǎn)錄組報道！

本研究中 10x 單細胞轉(zhuǎn)錄組測序由北京博奧晶典生物技術(shù)有限公司提供。下面我們來看下這篇文章吧~

【發(fā)表期刊】Front. Plant Sci.

【影響因子】6.627

【發(fā)表時間】2022年10月19日

【發(fā)表單位】南京中醫(yī)藥大學(xué)&浙江大學(xué)

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研究背景

荊芥葉片上的盾狀腺毛（PGTs）特異的分泌和儲存生物活性精油。ScRNA-seq 是揭示異質(zhì)細胞和探索特定細胞發(fā)育和分化的有力工具。最近的研究在細胞譜系軌跡方面取得了重大進展，因此 scRNA-seq 也許可以幫助揭示腺毛（GT）細胞的分化和發(fā)育。

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研究路線

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研究結(jié)果

荊芥葉片的單細胞轉(zhuǎn)錄圖譜

收集荊芥的幼葉，切成葉條，使用酶液消化細胞壁以獲得原生質(zhì)體并進行單細胞轉(zhuǎn)錄組測序。經(jīng)過濾后，3 個樣本（JJ1，JJ2，JJ3）分別獲得 15672，7352 及 10275 個細胞，共 33254 個細胞，降維聚類得到 19 個 cluster，注釋為 6 種細胞類型：（1）表皮細胞（EC）/毛狀體細胞 c5、c7、c16 和 c17；（2）葉肉細胞（MC）c0、c1、c2、c3 和 c4；（3）增殖細胞（PC）c8、c10；（4）維管細胞（VC）c6、c9、c12；（5）伴胞細胞（CC）c13；（6）保衛(wèi)細胞（GC）c15 和未知的 c11、c14 和 c18。

單細胞測序結(jié)果的原位雜交驗證

由于 c5 缺乏已知的 marker 基因，因此選擇在其內(nèi)特異表達的基因（Sch000023592）進行 RNA 原位雜交分析，發(fā)現(xiàn)該基因在表皮中特異表達。通過 RNA 原位雜交證實了 c7（Sch000008466）、c16 （Sch000025057）和 c17（Sch000002898）中的簇特異性基因。

表皮細胞/腺毛細胞的重新分群分析

對表皮細胞/腺毛細胞群的 c5、c7、c16 和 c17 以及保衛(wèi)細胞 c13 進行重新聚類顯示了 13 個名為 E0-E12 的亞細胞簇。由于 E12 中特異高表達的萜類上游 MEP 相關(guān)基因和荊芥中已被表征的薄荷烷類單萜生物合成相關(guān)的基因，E9 特異高表達萜類上游 MVA 相關(guān)基因，進一步 E12 和 E9 特征基因進行 GO 富集分析，顯示兩者都富含“脂質(zhì)代謝過程”和“脂肪酸代謝過程”，這與番茄毛細胞的 GO 富集術(shù)語一致。因此，E12 很可能為 PGT 細胞亞群，E9 被推測為其他腺毛亞群。

腺毛細胞的擬時間分化分析

通過使用 Monocle2 對 E12、E9 和 E10 的細胞進行擬時間分析，結(jié)果顯示 E10 中的細胞向兩個方向 E12（PGT）和 E9（其他毛狀體）逐漸過渡，對 E10 細胞表達基因進行 GO 分析等顯示在“細胞發(fā)育的調(diào)節(jié)”、“發(fā)育的細胞生長”和“參與分化的細胞形態(tài)發(fā)生的調(diào)節(jié)”等 term 富集，這表明 E10 細胞可能處于向毛狀體發(fā)育和分化的階段。通過擬時序的差異基因的篩選和表達分析獲得腺毛發(fā)育相關(guān)的候選基因，有待于進一步研究。因此，scRNA-seq 與 Monocle2 的結(jié)合可能有助于探索在 PGT 和其他腺毛細胞發(fā)育過程中分化命運決定的關(guān)鍵因子。

與擬南芥嫩莖單細胞結(jié)果整合：保守又特異

研究人員從公共數(shù)據(jù)庫下載 2 個擬南芥莖尖樣本和 1 個擬南芥葉片樣本的單細胞轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)與荊芥嫩葉單細胞結(jié)果進行整合分析，共 88952 個細胞，分為 24 個細胞簇（P0-P23），但擬南芥的莖尖單細胞數(shù)據(jù)中不含毛狀體細胞。與擬南芥相比，荊芥中與 PGT 相關(guān)的細胞是獨特的，而其他表皮細胞高度重疊，如 GC（PE4）?？傊?，比較不同物種的 scRNA-seq 數(shù)據(jù)可以探索獨特的細胞類型和物種特征，同時在物種保護和進化中發(fā)揮重要作用。

全文結(jié)論及意義

首次構(gòu)建了中草藥-荊芥的單細胞分辨率的幼葉基因表達圖譜；

使用擬南芥的同源已知 marker 基因和原位雜交對葉片的細胞簇進行注釋；

通過單萜特異合成基因的表達確定了盾狀腺毛細胞PGTs的細胞亞群，并對其進行了進行了擬時序分析篩選得到可能的腺鱗發(fā)育相關(guān)的調(diào)控基因為腺鱗形成的分子機制研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

盾狀腺毛作為中藥荊芥的品質(zhì)載體，以上結(jié)果同時為提升中藥荊芥的品質(zhì)奠定基礎(chǔ)

參考文獻Zhou Peina, Chen Hongyu, Dang Jingjie, Shi Zunrui, Shao Yongfang, Liu Chanchan, Fan Longjiang, Wu Qinan. Single-cell transcriptome of Nepeta tenuifolia leaves reveal differentiation trajectories in glandular trichomes.?Frontiers in Plant Science. 13.2022. DOI=10.3389/fpls.2022.988594