A secuenciación do transcriptoma unicelular revela traxectorias de liñaxe do estoma e das follas de Arabidopsis

A secuenciación unicélula (secuenciación unicélula) converteuse agora nunha das tecnoloxías máis populares. A secuenciación de ARN unicelular (scRNA-Seq) é de gran importancia para observar células individuais en múltiples dimensións, revelar a heteroxeneidade e a función celular e estudar os camiños evolutivos das liñaxes celulares durante o desenvolvemento.

Nos últimos anos, no campo da ciencia vexetal, os científicos chineses lograron importantes avances no scRNA-Seq, como Wang Jiawei do Centro de Excelencia para Plantas Moleculares da Academia Chinesa de Ciencias [1,2], Sun Mengxiang de Wuhan. University [3], e Sun Xuwu da Universidade de Henan [4] e outros grupos de investigación Todos publicaron artigos de alto nivel relacionados co scRNA-Seq, o que mostra o gran potencial desta tecnoloxía emerxente na investigación de plantas.

Os estomas son pequenos poros producidos polas células epidérmicas das follas das plantas mediante a división asimétrica. Durante este proceso, créanse dous tipos de células, as de pavimento e as de garda [5]. As células protectoras están implicadas na regulación da transpiración das plantas. e o intercambio de gases co medio [6]. Non obstante, actualmente descoñécense os mecanismos moleculares que subxacen á flexibilidade funcional celular durante o desenvolvemento da liñaxe estomática e como se determinan os destinos celulares nas follas.

Recentemente, o grupo de investigación do profesor Dominique C. Bergmann da Universidade de Stanford publicou un traballo de investigación titulado Single-cell resolution of lineage trajectories in the Arabidopsis stomatal lineage and development leaf in Developmental Cell, usando a tecnoloxía scRNA-Seq combinada con xenética molecular e outros métodos. Resolveuse un modelo dinámico da diferenciación de diferentes tipos de células no tecido foliar de Arabidopsis.

Dado que os datos de scRNA-seq de follas publicados anteriormente son principalmente células mesófilas, os investigadores utilizaron o promotor da capa meristema de Arabidopsis ATML1 (MERISTEM LAYER 1) para impulsar o xene reporteiro, combinado coa clasificación celular activada por fluorescencia (FACS) e a microfluídica de a plataforma 10X Genomics para obter un tipo celular máis completo e equilibrado nas follas para a súa posterior análise.

Ademais, utilizando xenes expresados ​​especificamente en diferentes tipos celulares, definimos grupos de células vasculares, mesófilas e epidérmicas e, mediante a análise comparativa das identidades e traxectorias celulares, revelou os programas xenéticos específicos destes tipos celulares e a distancia/proximidade das follas. Características polares do plano axial. Para explorar aínda máis os patróns de diferenciación das liñaxes de células estomáticas, os investigadores utilizaron o promotor do xene de desenvolvemento estomático TMM (TOO MANY MOUTHS) para impulsar un xene reporteiro e obtiveron un conxunto de datos scRNA-seq específico da liñaxe estomática en células epidérmicas.

Ao analizar 13,000 células da liñaxe estomática, os investigadores identificaron traxectorias de diferenciación que tendían a destinos estomáticos ou destinos caracterizados anteriormente só pola morfoloxía celular. As traxectorias pseudotemporales mostran que a diferenciación estomática non se consegue por unha única vía senón por varias vías.

Os autores especulan que a elección de destinos celulares específicos pode ser causada por eventos rápidos, locais ou mesmo aleatorios, en lugar de un proceso cuantitativo a cualitativo. Ademais, o estudo tamén descubriu que o factor de transcrición SPEECHLES (SPCH), que regula o desenvolvemento celular na fase inicial, tamén xoga un papel na fase tardía e coopera con outros factores de transcrición como MUTE e FAMA para impulsar o destino celular. e promover a diferenciación das células de garda.

O profesor Bergmann recibiu o seu doutoramento. en Bioloxía Molecular pola Universidade de Colorado en 2000, e logo entrou na Carnegie Institution for Science dos Estados Unidos para realizar investigacións posdoutorais.

Actualmente, o profesor Bergmann traballa na Facultade de Bioloxía da Universidade de Stanford, EUA, e dedícase principalmente ao traballo relacionado coa división celular asimétrica no desenvolvemento estomático de Arabidopsis thaliana.

 

referencias: 1. Zhang TQ, Xu ZG, Shang GD, et al. Unha secuenciación de ARN unicelular perfila a paisaxe do desenvolvemento da raíz de Arabidopsis [J]. Planta Molecular, 2019, 12(5).2. Zhang TQ, Chen Y, Wang J W. A single-cell analysis of the Arabidopsis vegetative shoot apex [J]. Developmental Cell, 2021.3. Zhou X, Liu Z, Shen K, et al. Análise de transcriptoma específico da liñaxe celular para interpretar a especificación do destino celular de proembrións [J]. Nature Communications, 2020, 11(1):1366.4. Liu Z, Zhou Y, Guo J, et al. Perfís moleculares dinámicos globais do desenvolvemento celular de liñaxe estomática mediante a secuenciación de ARN unicélula[J]. Planta Molecular, 2020.5. Lee LR, Wengier DL, Bergmann D C. Transcriptoma específico de tipo celular e dinámica de modificación de histonas durante a reprogramación celular na liñaxe estomática de Arabidopsis [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116(43):201911400.6. Am. H, Fi. W. O papel dos estomas na detección e impulso do cambio ambiental[J]. Natureza, 2003, 424(6951):901-908.