什么是高通量單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)？

2019年4月18日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Molecular Plant 雜志在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)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(xì)胞水平揭示了擬南芥根尖細(xì)胞的異質(zhì)性，描繪了擬南芥發(fā)育全景圖（developmental landscape）并重構(gòu)了根尖分生組織細(xì)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(xì)胞測(cè)序的文章達(dá)到5篇了。iPlants報(bào)道了其中的三篇，包括一篇Plant Cell（點(diǎn)擊查看）、Plant Physiology（點(diǎn)擊查看）、Developmental Cell （點(diǎn)擊查看）、一篇Science（未報(bào)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(shí)發(fā)表，表明該領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)激烈，同時(shí)也說(shuō)明了單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)在植物研究應(yīng)用中已經(jīng)成熟，期待未來(lái)更多的植物組織細(xì)胞的測(cè)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(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)？

自2009年湯富酬研究員在Nature Methods首次報(bào)道其開(kāi)創(chuàng)性工作以來(lái)，單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是發(fā)育生物學(xué)和干細(xì)胞研究中展現(xiàn)出強(qiáng)大的應(yīng)用前景。隨著單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組擴(kuò)增方法的不斷優(yōu)化和核酸測(cè)序通量的持續(xù)提升，幾十甚至幾百個(gè)單細(xì)胞所提供的信息已經(jīng)不再能滿足研究人員的需求。2015年以來(lái)，基于細(xì)胞條形碼標(biāo)記技術(shù)的液滴超高通量單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)相繼涌現(xiàn)，以哈佛大學(xué)的David Weitz等開(kāi)發(fā)的inDrop和Drop-seq系統(tǒng)，以及10X Genomics公司的Chromium平臺(tái)為代表。液滴超高通量單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)所基于的原理是，利用微流控系統(tǒng)產(chǎn)生單個(gè)細(xì)胞+單個(gè)微球的納升級(jí)液滴，每個(gè)微球表面包裹有特異的寡核苷酸序列（細(xì)胞條形碼）對(duì)同一細(xì)胞來(lái)源的RNA分子進(jìn)行標(biāo)記，就可以對(duì)數(shù)千個(gè)細(xì)胞的cDNA合并建庫(kù)，省去了對(duì)單個(gè)細(xì)胞的重復(fù)操作，大大提升了單細(xì)胞測(cè)序的通量和單個(gè)細(xì)胞測(cè)序的成本。關(guān)于液滴超高通量單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)的詳細(xì)介紹和三個(gè)系統(tǒng)的全面測(cè)評(píng)，小編推薦近期由清華大學(xué)王建斌研究組和北京大學(xué)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(tái)，這也和該平臺(tái)商業(yè)化最為徹底不無(wú)關(guān)系，在不考慮成本的情況下，Chromium平臺(tái)在測(cè)評(píng)中各指標(biāo)的表現(xiàn)也是最為穩(wěn)健。從投稿時(shí)間來(lái)看，幾項(xiàng)工作在Chromium平臺(tái)推出之后不久就已經(jīng)開(kāi)展，足以見(jiàn)植物研究工作者也對(duì)這種高效、高性價(jià)比、高通量的單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)期待已久。

inDrop系統(tǒng)示意圖

根是植物重要的組織器官，負(fù)責(zé)固定/支撐植物，從土壤中吸收水、礦質(zhì)元素供給植物生長(zhǎng)發(fā)育，參與植物與生物或非生物信號(hào)的互作。數(shù)量眾多的細(xì)胞如何組裝成一個(gè)完整的具有不同組織分化的根器官、發(fā)揮相關(guān)生物學(xué)功能是有趣和重要的科學(xué)問(wèn)題。王佳偉研究組建立了植物單細(xì)胞RNA測(cè)序與分析系統(tǒng)，并將這一技術(shù)應(yīng)用在擬南芥根的研究中。通過(guò)前期大量預(yù)實(shí)驗(yàn)，成功捕獲了7,695個(gè)根單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。在無(wú)監(jiān)督分析條件下，這些根細(xì)胞被歸為24個(gè)細(xì)胞類群。細(xì)胞類群注釋分析鑒定了一些潛在的新細(xì)胞類型，并找到了一批細(xì)胞類型標(biāo)記基因。尤為重要的是，通過(guò)t-SNE和UMAP算法展示聚類，重構(gòu)了根發(fā)育的基本軌跡，實(shí)現(xiàn)了根分生組織細(xì)胞分裂和分化在單細(xì)胞水平上的準(zhǔn)確投影。進(jìn)一步利用偽時(shí)間（pseudo-time）分析，捕獲了根尖分生組織細(xì)胞的分化軌跡和過(guò)渡態(tài)細(xì)胞，解析了根分生組織細(xì)胞如何通過(guò)協(xié)調(diào)細(xì)胞分裂和分化進(jìn)程逐步形成根尖不同細(xì)胞類型的分子機(jī)理。此外，通過(guò)分析細(xì)胞類群對(duì)離子吸收和激素響應(yīng)情況，揭示了不同根細(xì)胞類群的響應(yīng)熱圖。該研究加深了我們對(duì)擬南芥根細(xì)胞組成和發(fā)育軌跡的認(rèn)識(shí)，將根發(fā)育生物學(xué)從原先的組織器官水平提升到了單細(xì)胞水平。

中科院分子植物科學(xué)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谝蛔髡撸锌圃悍肿又参锟茖W(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程、中國(guó)博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、Sanofi-SIBS青年人才獎(jiǎng)學(xué)金的資助。