真核生物的各个组织中细胞类型多样。近年来，随着单细胞转录组测序技术和分析方法的发展使我们能够探索个体组织中细胞类型的异质性以及其动态发育过程中相关的转录调控机制。该研究中，作者通过高通量单细胞转录组测序技术，从单细胞转录组的角度发现了拟南芥的细胞具有高度的异质性。经过分析，本文共鉴定出24个细胞类群。不同发育阶段的细胞在空间上的分布和时间上的顺序，说明了它们具有较为清晰的层次结构。此外，作者还发现根中不同的细胞类群对离子和激素表现出不同的响应。总的来说，该研究揭示了拟南芥根细胞高度的异质性，并在单细胞分辨率下对根细胞分化过程中的中间状态进行了研究。
植物的新陈代谢和繁殖依赖于细胞之间的分工。然而，具有多种功能的细胞通常被作为一个整体来研究，其特异性被稀释。在该研究中，作者将单细胞RNA测序应用于不同环境下生长的水稻幼苗，捕获了数千个细胞的转录组，识别出主要的细胞类型，并重建了它们的发育轨迹。作者发现，非生物胁迫不仅以细胞类型特异性的方式影响基因表达，而且还影响细胞的物理大小和细胞群的组成，并使用显微镜验证了这些结论。综上所述，该研究构建出水稻地上部分组织细胞转录组图谱，对植物学相关研究具有一定的指导意义。
作者: Tsubasa Kawai
出版社: PNAS
属性: Artical
材料: Root
物种: 拟南芥
在多变环境下，作物根系的稳定发展对其产量至关重要。水稻有两种类型的侧根(LR)：S型（短而细）和L型（长而粗）。在侧根原基确定阶段，L型的原基的尺寸大于S型。侧根原基大小决定了侧根类型，这是水稻生长维持的重要表型形状，并且不同类型侧根的发育对植株应对水胁迫至关重要。但目前控制侧根原基大小的分子机制目前尚不清楚。
在基因诱变的条件下，作者使用先前报道的根尖切除的方法，促进了野生型水稻近端部分的L型侧根的产生。一个隐性突变体T3-7-1被分离出来，该突变体产生的侧根较少，但在根尖切除后出现了新的侧根（图1）。有趣的是，在L型侧根中能观察到了这种恢复，但在S型或中间型侧根中没有观察到这种恢复。除此之外，在根尖切除后，突变体比WT产生更多的L型侧根，在远离切割位点的区域有所增加。这表明T3-7-1突变体的致病基因抑制了远离切割位点的区域的侧根原基直径的增加。
高等植物的器官源于茎端分生组织（shoot apical meristem, SAM）、根端分生组织（root apical meristem, RAM）和侧生分生组织（lateral meristem）。存在于分生组织的干细胞既可以通过细胞分裂维持自身细胞群的大小，同时又可以进一步成为各种不同组织或者器官的细胞，从而构成机体各种复杂的组织器官。
高等植物的再生可分为以下三种：组织修复（tissue repair）；器官从头再生，包括根从头再生（de novo root regeneration）和芽从头再生（de novo shoot regeneration）；体细胞胚再生（somatic embryogenesis）（图1）。组织修复是指组织或器官在损伤或缺失后，可以修复或重新生长出能够替代原来组织器官行使功能的结构。根和芽的从头再生是指受伤或离体的植物组织长出不定根或不定芽的过程。器官从头再生是植物再生的重要方式，与体细胞胚再生不同，植物器官从头再生的过程仅需诱导外植体（explant，即离体组织或器官）形成SAM和RAM，无需经过类似胚胎发育的过程。体细胞胚再生是指已分化的体细胞在一定条件下脱分化或得分生能力，经过类似胚胎发育的过程形成完整植株。
和其他复杂的生物体一样，植物同样是由不同的细胞类型组成的。不同的细胞类型具有其独特的生物学功能，生物学功能的差异使细胞类群建立起特异的转录特性。为了深入了解植物基因表达调控机制，本文作者使用**single-nucleus RNA sequencing (sNucRNA-seq)和single-nucleus assay for transposase accessible chromatin sequencing (sNucATACseq)**两种单细胞技术应用于拟南芥根的研究中。通过将本文的单核转录组数据与已发表的原生质体转录组数据进行比较，证明了利用细胞核作为生物实体来建立植物细胞类型特异性转录组的有效性。此外，本文的sNucRNA-seq结果揭示了scRNA-seq无法捕获到的细胞类型的转录组。本文使用sNucATAC-seq数据同样将细胞核分配到不同的类群中，该结果说明不同细胞类群之间具有较为差异的染色质可及性。为了揭示染色质可及性对基因表达的影响，本文整合了sNucRNA-seq和sNucATAC-seq数据，证明了细胞类型特异性标记基因显示了细胞类型特异性染色质可及性模式。数据表明，不同的染色质可及性是在细胞类型水平上调节基因活性的关键机制。
在植物的整个生命周期中，茎顶端分生组织允许新的气生结构的反复形成。我们使用单细胞RNA测序在转录组水平上定义拟南芥茎尖的细胞分类。我们发现拟南芥茎尖由高度异质性的细胞组成，它们可以被划分为7个主要的群体，其中包含23个转录组水平上较为差异的细胞类群。作者描述了表皮细胞、维管组织和叶肉细胞的细胞周期连续性和发育轨迹，并推断出决定细胞命运的转录因子和基因的表达特征。最后，作者对茎尖和根尖细胞群体的综合分析进一步揭示了表皮和维管组织的相似性与差异性。该篇文章的研究结果为探究植物细胞分裂和分化的基本原理提供了一个有价值的资源。
根的发育依赖于分生组织的建立，分生组织产生不同的细胞类型，这些细胞类型在确定的时间和空间梯度上分化。对双子叶和单子叶根尖分生组织的发育轨迹和转录网络进行剖析，有助于理解双子叶和单子叶根尖分生组织的功能。在这里，我们提出了水稻胚根的单细胞RNA (scRNA)测序和染色质可及性调查。通过单个根尖细胞的时间分布，我们重建了表皮细胞和基底组织的连续发育轨迹，并阐明了这些细胞谱系中决定细胞命运的调控网络。我们进一步鉴定了这些细胞类型的特征过程、转录组谱和标记基因，揭示了双子叶和单子叶之间保守和分化的根发育途径。最后，我们利用时空模型从细胞特异性基因队列中鉴定了水稻根分生组织突变体，证明了该平台在功能遗传学研究方面的潜力。
