科學家揭示水稻根單細胞異質性和分化全景圖

  中國科學院分子植物科學卓越創新中心王佳偉研究組系統揭示了水稻根單細胞異質性，描繪了水稻根表皮細胞和基本組織細胞的分化軌跡，明確了在根尖干細胞分化過程中基因表達與基因染色質可及性的相關性，并同時闡明了單子葉植物水稻和雙子葉植物擬南芥在根尖細胞類型上的進化保守性。該研究成果4月6日在線發表于《自然—通訊》。

水稻是重要的糧食作物之一。根是水稻重要的組織器官，負責固定和支撐植物，從土壤中吸收水、礦質元素供給植物生長發育，參與植物與生物或非生物信號的互作。有別于雙子葉模式植物擬南芥，水稻是須根系植物，有著不同的生長和發育模式。此外，為了更好的適應水生環境，水稻還進化出外皮層組織、厚壁組織、通氣組織以及多細胞層的皮層組織等特化結構。遺傳突變體篩選是傳統發育生物學和功能基因組學獲得重要調控基因的有力手段，但卻往往受限于研究周期長、黑盒測試、數量性狀、工作量大等不利因素。近年來隨著單細胞RNA測序技術的發明與應用，研究人員可以在單細胞水平系統了解生命體細胞的異質性，描繪各種類型細胞的分化和發育軌跡，加速發育過程重要調控因子的挖掘進程。

王佳偉研究組前期的工作描繪了雙子葉模式植物擬南芥的根單細胞圖譜。為了進一步探究單子葉植物根的發育模式，揭示單雙子葉植物根的演化規律，研究人員將scRNA-seq和ATAC-seq技術應用到水稻根的研究中去。scRNA-seq實驗成功捕獲了27469個高質量單細胞轉錄組數據。通過聚類分析，將這些細胞注釋為21個不同的細胞類群，分別對應水稻根表皮、外皮層、厚壁組織、皮層、內皮層、中柱鞘、分生組織、維管組織等細胞類群。通過原位雜交和構建報告基因，發現并驗證了一系列全新的細胞類型標記基因。進一步通過重排過渡態細胞和擬時間分析，描繪了表皮分生組織細胞通過分裂和分化形成成毛體細胞或非成毛體細胞的發育過程，闡明了基本分生組織祖細胞分化形成皮層、厚壁組織和外皮層的分化軌跡。

有趣的是，scRNA-seq和ATAC-seq整合分析顯示，一些重要調控因子的染色質開放狀態與其基因表達模式呈現時空關聯性。尤為重要的是，通過結合反向遺傳學實驗，發現水稻根分生組織類群特異表達的轉錄因子OsGATA6參與了水稻根基本組織和維管束組織的發育過程，提示單細胞測序技術可以有效提升作物反向遺傳學的成功效率。

同時，研究人員通過與擬南芥根單細胞轉錄組數據集的整合分析，發現二者細胞類型在進化上保守性較低。僅在根毛、木質部、韌皮部等細胞類型中存在較高相似性。進一步深入比較和分析這些保守細胞類型，挖掘出一些潛在的核心細胞類型調控基因。

專家表示，這些研究成果幫助我們繪制了水稻根的單細胞圖譜，為今后解析水稻根發育的精細過程和分子機制，人工定制根系以及提高營養吸收能力奠定了良好的基礎。