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杨树茎干组织的单细胞转录图谱构建 | Genome Biology

期刊:Genome Biology

标题:Transcriptional landscape of highly lignified poplar stems at single-cell resolution

DOI:10.1186/s13059-021-02537-2

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与草本植物不同,多年生木本植物可通过维管形成层的细胞活动实现树木横向加粗生长,即次生生长,为人类社会提供必需的木材资源。研究树木茎干的细胞组成、基因表达特征和分化过程,对于理解树木的次生生长具有重要意义。近日,四川大学马涛教授团队在Genome Biology上发表了题为“Transcriptional landscape of highly lignified poplar stems at single-cell resolution”的研究论文,利用单细胞测序技术构建了杨树茎干组织的单细胞转录组图谱。


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图1. 杨树茎干组织的原生质体分离和细胞类型鉴定



树木次生生长的典型特征是木质部和韧皮部的细胞壁不断增厚,而这为细胞原生质体的制备和获取增加了难度。该团队首先优化了杨树茎干组织的原生质体分离方案,获得了6,796个高质量的单细胞转录组数据,根据细胞特异性标记基因将其划分为20个细胞簇,鉴定了包含表皮、内皮层、筛管和伴胞、形成层和木质部等在内的15个主要细胞类型(图1)。



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图2. 韧皮部细胞分化轨迹重建


研究团队紧接着重建了韧皮部和木质部细胞的连续分化轨迹(图2和图3)。其中韧皮部分化轨迹以韧皮母细胞为起始,继而分化为筛管(Sieve Element, SE)和伴胞(Companion Cells, CC);而木质部的细胞分化轨迹由薄壁细胞、次生壁加厚的纤维和导管细胞(Fiber and Vessel)两大分支构成。根据这些分化轨迹上关键基因的动态表达特征,揭示了杨树茎干组织中韧皮部和木质部细胞分化的分子机理,并绘制了植物激素合成和响应相关基因的细胞表达图谱。


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图3. 木质部细胞分化轨迹重建



此外,由于杨柳科植物近期经历过一次全基因组加倍事件,导致同源基因的功能存在冗余性,不利于杨树的基因功能研究。因此,研究团队对单细胞转录组数据开展了进一步的比较研究,对这些同源基因在杨树茎干发育过程中的功能冗余程度进行了预测,为深入解析杨树维管细胞分化的分子机制提供了重要依据。


四川大学博士研究生陈阳、同少飞,副研究员姜渊忠为该论文的共同第一作者,马涛教授为通讯作者。四川大学刘建全教授和兰州大学朱莹莹教授参与了部分工作。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、以及中央高校基本业务费等经费的资助。相应的数据和结果发布在服务器(https://scu-populus.shinyapps.io/scRNAPal/)供广大研究者使用。


Genome Biology

doi:10.1186/s13059-021-02537-2


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