GPB｜北大农研院综述单细胞多组学技术在植物研究中的机遇与挑战
2024年3月，北京大学现代农业研究院李博生团队和叶文秀团队近期在Genomics, Proteomics, and Bioinformatics (《基因组、蛋白组和生物信息学》影响因子IF = 9.5)杂志在线发表了题为“Opportunities and challenges in advancing plant research with single-cell omics”的综述文章。该文深入探讨了单细胞结合多组学技术在植物研究中的最新进展，特别是通过单细胞多组学技术实现复杂多细胞组织中的单个细胞或一类细胞的分子和功能异质性的精细分析，为植物研究提供了新的机遇和挑战。
多组学技术包括转录组、表观组、蛋白质组、代谢组等在生物研究中发挥重要作用，然而普通的多组学技术无法解决多细胞生物材料的细胞异质性问题，无法精细定位到某一个细胞或某一类群细胞并从中获取其基因表达等多组学信息。单细胞结合多组学技术的应用，为解决这一问题提供了新的思路和视角。该综述文章详细介绍了常用的植物单细胞分离技术包括微吸(Micro-pipetting)、光镊(Optical tweezers)、微流控(Microfluidics)、单细胞微孔板(microwell)，分裂池（split-pool），激光捕获显微切割（LCM）、流式细胞荧光分选技术(FACS)，特别是单细胞微流控分离技术在获取高通量异质性细胞类群的应用。比较了原生质体及单细胞核测序在植物中的应用优势，原生质体测序能够获取更多的基因中位数、但依赖酶解分离，对于不易酶解的样本很难获取其原生质体，另外，酶解的过程可能影响细胞基因表达等信息；细胞核测序不依赖酶解过程，特别适用于不易酶解的植物样本，且更能实时捕获基因表达信息，但也有捕获基因数相对较低；无法捕获到细胞质中的转录本信息等缺陷。该文还全面地阐述了单细胞转录组测序、单细胞表观组、单细胞蛋白质组、单细胞代谢组及空间转录组等技术在植物基因表达、细胞命运决定和发育进程研究中的应用实例。该综述文章详细介绍以捕获芯片为载体的空间转录组技术，通过芯片的空间条形码核酸序列对冷冻组织切片的转录本信息进行原位捕获，并结合二代测序技术，获取组织切片的基因空间表达信息。与单细胞转录组对标记基因的高度依赖相比，空间转录组技术不仅可以获得高通量的异质性细胞基因表达信息，而且可以还原每个细胞在组织切片中的空间信息；使得对组织切片细胞的高通量转录组信息进行直接可视化，为揭示细胞间相互作用、细胞通讯和非细胞自主过程提供了有力工具，具有不可替代的优势。该综述文章还全面概述了单细胞组学和空间转录组学在植物研究中的广泛应用前景，包括发现新的细胞类型、寻找植物育种分子标记、揭示应激响应基因和其调控网络等。单细胞技术与多组学技术的融合为植物细胞生物学研究提供了更加全面和深入的视角，有望为提高作物产量和解决可持续农业面临的关键问题提供新的思路。同时，文章也指出了植物空间生物学当前所面临的挑战，如组织切片转移、细胞边界识别以及含水量高的薄壁细胞组织冷冻切片容易破碎等问题，并提出了高压冷冻技术(HPF)和使用甲醛固定石蜡包埋组织标本(FFPE)等潜在解决方案。最后，文章强调了这些先进技术对于深化我们对植物发育、生长和应激适应机制的理解以及推动植物研究和农业进步的重要作用；单细胞技术的不断发展和应用将为植物科学领域带来更多的机遇和突破。
图一：植物多组学研究流程图，单细胞转录组测序、单细胞ATAC测序（可转座酶可及染色质测序）、空间转录组及空间代谢组在获得特定类群细胞或组织基因表达及代谢信息的应用。
图二：单细胞多组学技术在植物研究领域中的应用，包括单细胞水平的基因表达、蛋白丰度、代谢产物水平和植物中的表观遗传修饰等。
北京大学现代农业研究院研究助理Mohammad Saidur Rhaman博士和Muhammad Ali博士为本文共同第一作者，北京大学现代农业研究院叶文秀研究员和李博生研究员为本文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金等资金的支持。https://doi.org/10.1093/gpbjnl/qzae026Rhaman, M.S., Ali, M., Ye, W. and Li, B., 2024. Opportunities and Challenges in Advancing Plant Research with Single-cell Omics. Genomics, Proteomics & Bioinformatics, p.qzae026.
