什么是高通量單細胞RNA測序技術？

2019年4月18日，國際學術期刊Molecular Plant 雜志在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所王佳偉研究組題為"A single-cell RNA sequencing profiles the developmental landscape of Arabidopsis root "的研究論文，在單細胞水平揭示了擬南芥根尖細胞的異質性，描繪了擬南芥發(fā)育全景圖（developmental landscape）并重構了根尖分生組織細胞的發(fā)育軌跡。

值得一提的是，目前全球各地發(fā)表的植物單細胞測序的文章達到5篇了。iPlants報道了其中的三篇，包括一篇Plant Cell（點擊查看）、Plant Physiology（點擊查看）、Developmental Cell （點擊查看）、一篇Science（未報道）和這一篇，包括4篇是根發(fā)育和1篇是雄性配子發(fā)育。該五篇文章幾乎都是同時發(fā)表，表明該領域的競爭激烈，同時也說明了單細胞測序技術在植物研究應用中已經成熟，期待未來更多的植物組織細胞的測序，為解決植物如何從胚發(fā)育成全株提供更多的信息！

什么是高通量單細胞RNA測序技術？

自2009年湯富酬研究員在Nature Methods首次報道其開創(chuàng)性工作以來，單細胞RNA測序技術在生物醫(yī)學領域，尤其是發(fā)育生物學和干細胞研究中展現(xiàn)出強大的應用前景。隨著單細胞轉錄組擴增方法的不斷優(yōu)化和核酸測序通量的持續(xù)提升，幾十甚至幾百個單細胞所提供的信息已經不再能滿足研究人員的需求。2015年以來，基于細胞條形碼標記技術的液滴超高通量單細胞測序技術相繼涌現(xiàn)，以哈佛大學的David Weitz等開發(fā)的inDrop和Drop-seq系統(tǒng)，以及10X Genomics公司的Chromium平臺為代表。液滴超高通量單細胞測序技術所基于的原理是，利用微流控系統(tǒng)產生單個細胞+單個微球的納升級液滴，每個微球表面包裹有特異的寡核苷酸序列（細胞條形碼）對同一細胞來源的RNA分子進行標記，就可以對數(shù)千個細胞的cDNA合并建庫，省去了對單個細胞的重復操作，大大提升了單細胞測序的通量和單個細胞測序的成本。關于液滴超高通量單細胞RNA測序技術的詳細介紹和三個系統(tǒng)的全面測評，小編推薦近期由清華大學王建斌研究組和北京大學黃巖誼研究組合作的文章。植物中的工作大部分都選擇了10X Genomics公司的Chromium平臺，這也和該平臺商業(yè)化最為徹底不無關系，在不考慮成本的情況下，Chromium平臺在測評中各指標的表現(xiàn)也是最為穩(wěn)健。從投稿時間來看，幾項工作在Chromium平臺推出之后不久就已經開展，足以見植物研究工作者也對這種高效、高性價比、高通量的單細胞RNA測序技術期待已久。

inDrop系統(tǒng)示意圖

根是植物重要的組織器官，負責固定/支撐植物，從土壤中吸收水、礦質元素供給植物生長發(fā)育，參與植物與生物或非生物信號的互作。數(shù)量眾多的細胞如何組裝成一個完整的具有不同組織分化的根器官、發(fā)揮相關生物學功能是有趣和重要的科學問題。王佳偉研究組建立了植物單細胞RNA測序與分析系統(tǒng)，并將這一技術應用在擬南芥根的研究中。通過前期大量預實驗，成功捕獲了7,695個根單細胞轉錄組數(shù)據(jù)。在無監(jiān)督分析條件下，這些根細胞被歸為24個細胞類群。細胞類群注釋分析鑒定了一些潛在的新細胞類型，并找到了一批細胞類型標記基因。尤為重要的是，通過t-SNE和UMAP算法展示聚類，重構了根發(fā)育的基本軌跡，實現(xiàn)了根分生組織細胞分裂和分化在單細胞水平上的準確投影。進一步利用偽時間（pseudo-time）分析，捕獲了根尖分生組織細胞的分化軌跡和過渡態(tài)細胞，解析了根分生組織細胞如何通過協(xié)調細胞分裂和分化進程逐步形成根尖不同細胞類型的分子機理。此外，通過分析細胞類群對離子吸收和激素響應情況，揭示了不同根細胞類群的響應熱圖。該研究加深了我們對擬南芥根細胞組成和發(fā)育軌跡的認識，將根發(fā)育生物學從原先的組織器官水平提升到了單細胞水平。

中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所博士后張?zhí)炱婧筒┦可熘薷鼮楸菊撐墓餐谝蛔髡?，中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所王佳偉研究員為通訊作者。該研究得到科技部、國家自然科學基金、中國科學院先導B項目、中國科協(xié)青年人才托舉工程、中國博士后創(chuàng)新人才支持計劃、Sanofi-SIBS青年人才獎學金的資助。