来自北京林业大学的谢剑波教授等人在 Plant Biotechnology Journal 杂志上发表了名为“Single-cell RNA sequencing profiles of stem-differentiating xylem in poplar”的研究论文，通过对杨树茎次生木质部的单细胞测序，揭示SDX组织细胞类型及关键调控基因。该研究中的单细胞转录组建库测序服务由诺禾致源提供。

【发表期刊】Plant Biotechnology Journal

【影响因子】13.263

【影响单位】北京林业大学

研究背景

林木在生长过程中由于维管形成层干细胞的存在，表现出连续和迭代的生长习惯，这一过程由调节特定通路的分级基因调节网络控制。次生木质部(SDX)是一种木质形成组织，是内部维管形成层的一部分，可分化成不同类型的细胞，本研究通过对SDX进行单细胞转录组测序分析，确定了林木形成过程中的关键调控因素，这对于提高原料可持续性有着重要作用。

研究路线

主要结果

次生木质部单细胞聚类分析

为揭示林木形成组织中特定细胞类型的基因标记和网络，研究人员将剥皮的胡杨茎段表面制成原生质体，进行scRNA-seq分析，共得到12,466个细胞，通过降维聚类分析，将SDX次生木质部组织分成12个细胞簇，细胞周期基因分析显示，聚类不受细胞周期状态的支配，特化细胞表现出相对不同的转录组图谱。 

图1 次生木质部单细胞聚类结果

RNA原位杂交验证细胞分型

研究人员应用验证过的特异性标记基因对SDX组织进行细胞定义，其中cluster1、cluster3、cluster4定义为导管细胞，cluster2属于射线细胞，cluster7为韧皮部细胞，cluster0定义为形成层细胞，cluster5、8、11为纤维细胞。并对8个高特异性基因进行RNA原位杂交分析，这些基因在RISH中的表达证实了细胞分型的准确性，并定义了未知的细胞群。

图2 RNA原位杂交验证

Marker基因启动子的分析

为进一步验证细胞分型的准确性，研究人员选择PtWAT1和PtCesA8基因启动子，构建PtWAT1pro::GUS以及PtCesA8pro::GUS，生成表达b-葡糖苷酸酶(GUS)的转基因毛囊荚膜菌，并进行了GUS染色，PtWAT1pro::GUS和PtCesA8pro::GUS染色分别显示出导管和纤维特异性，这与它们的cluster转录信号一致，除此外研究人员还发现了一些新的标记基因，它们在各自的cluster中高度特异性地富集。

图3 转基因实验

细胞发育动态与转录因子功能研究

对SDX组织进行分化轨迹分析，显示cluster0即形成层细胞，分叉成两条轨迹，一个轨迹显示从形成层细胞逐渐过渡到纤维和导管细胞，另一个轨迹显示从形成层细胞逐渐过渡到纤维和导管细胞及射线细胞。在分析标记基因集的过程中，发现1142个WGD在同一细胞类型中表达同源基因，其中TFs可能在形成层生长和林木形成中起重要的功能作用。

研究结论

对多细胞生物中不同细胞类型特异性转录的分析对于阐明独特的发育调节因子和功能基因至关重要，它们赋予细胞独特的形式和功能。本文应用高通量scRNA-seq分析了SDX的高异质性，并揭示了林木形成过程中的关键调控因素。

参考文献

[1] Jianbo Xie, Meng Li. Single-cell RNA sequencing profiles of stem-  differentiating xylem in poplar [J]. Plant Biotechnology Journal, 2022, 20:417-419. doi: 10.1111/pbi.13763