1、構建小區地圖
植物葉片由不同形狀和特定功能的細胞組成，不同細胞類型的基因表達模式不同。通過單細胞轉錄組測序構建植物葉片的細胞圖譜，使我們能夠深入了解植物葉片中細胞類型的組成，獲得每個細胞獨特的轉錄信息，從而識別細胞的身份和功能。
1.案例1
在2020年6月發表在《分子植物》雜誌上的文章[1]中，研究人員以5天齡擬南芥幼苗的子葉為材料，對單細胞轉錄組進行測序，* * *獲得了12844個細胞。通過細胞聚類和註釋分析，這些細胞分為11個不同的細胞群，包括氣孔發育。例如分生組織母細胞(MMCs)、保衛母細胞(GMCs)、扁平細胞(PC)、葉肉細胞(MPCs)和保衛細胞(GCs)。
2.案例2
在2021年6月發表在《植物生物技術雜誌》上的文章[2]中，研究人員對7日齡花生幼苗葉片的單細胞轉錄組進行了測序，* * *獲得了6815個細胞，構建了首個花生單細胞基因表達圖譜。通過細胞聚類和註釋分析，將這些細胞分為8個主要細胞群，包括柵欄葉肉細胞和海綿葉。通過構建細胞圖，表明植物葉片是由高度異質性的細胞組成的。
第二，細胞亞群的細分
在植物器官發育的研究中，粗略的細胞分組往往不能完全描述細胞的發育軌跡，亞細胞組會有上下遊發育分化的關系，可以詳細分析細胞的發育軌跡，因此細胞亞群的細分尤為重要。
1.案例1
在2021年5月發表在Plant Cell上的文章[3]中，研究人員對6周齡擬南芥成熟葉片的單細胞轉錄組進行了測序，以揭示葉片韌皮部細胞的不同特征。維管束細胞簇4、簇10和簇18被細分為亞組，根據富集基因確定亞組的細胞類型。分別是C4.1.1(XP1)，C4.1.2(XP2)，c4.2 (bs2)，c4.3 (bs1)，c10.1.65438。C10.2 (PP 1)、C18.1 (PP2)和C18.2(XP3)，細胞亞群的細分決定了維管束細胞的細胞群XP-PCXP-PCPP-PP，反映了維管束細胞潛在的發育軌跡。
2.案例2
在2021年6月發表在《植物細胞》上的文章[4]中，研究人員對玉米葉片單細胞轉錄組進行了測序，分析了玉米的束鞘分化，發現束鞘細胞進壹步分為兩個亞群，即遠軸束鞘細胞(abb)和近軸束鞘細胞(adBS)，它們是背腹分化的，其中細胞亞群的分析可以為細胞發育軌跡提供有力的證據。
第三，標記基因的識別
在多細胞生物中，細胞類型和細胞特異性功能的產生很大程度上源於細胞中不同基因的差異表達。在單細胞轉錄組數據分析過程中，主要通過差異分析識別某個細胞亞群的特征基因，然後結合標記基因識別細胞類型。因此，挖掘新的標記基因有助於闡明細胞的異質性，並對識別植物發育過程中細胞類型未知的細胞群體具有重要意義。
例如，在2020年6月發表在《分子植物》雜誌上的文章[1]中，研究人員以5天齡擬南芥幼苗的子葉為材料，對單細胞轉錄組進行測序，並通過使用幾個已知的參與調節氣孔譜系細胞發育的標記基因，驗證了所識別的細胞類型。發現FAMA、TMM、HIC和SCRM在特定細胞類型中特異表達，而其他標記基因在特定細胞類型中不特異表達，從而鑒定了氣孔譜系細胞發育過程中不同細胞群的新標記，為進壹步探索氣孔譜系細胞發育的潛在調控因子和分析不同細胞群的基因表達譜奠定了基礎。
第四，發展軌跡研究
細胞分組本質上是為了表征植物的發育是壹個不連續的過程，但生物體或器官的發育過程應該是壹個連續的過程，並且是復雜的。通過分析植物葉細胞隨時間的分化路徑，可以了解其動態發育過程。準時間序列分析是指根據細胞間表達模式的相似性，沿軌跡對單個細胞進行排序，從而推斷細胞的分化軌跡或發育過程中細胞亞型的進化過程。
例如，在2021年6月發表在《植物生物技術雜誌》上的文章[2]中，研究人員對花生葉片的單細胞轉錄組進行了測序，不僅揭示了花生葉片的異質性，還重構了花生葉片的發育軌跡，在主莖附近發現了4個小分枝。不同的細胞亞群顯示了細胞分化主要途徑的時間異質性。此外，準時間序列分析揭示了10個關鍵標記基因，可用於將所有單細胞劃分為葉細胞發育分化的9種狀態。
動詞 （verb的縮寫）基因調控網絡分析
細胞轉錄狀態的差異導致了細胞的異質性，由轉錄因子主導的基因調控網絡維持並穩定了轉錄狀態的特異性。通過分析不同細胞類型中轉錄因子的調控網絡，可以了解植物葉片發育的調控機制。
2021年6月發表在Plant Biotechnology Journal上的文章[2]分析了轉錄因子在不同細胞組中的表達水平，發現與其他組相比，91鑒定的轉錄因子在海綿組織中有下降趨勢，這意味著轉錄抑制轉錄因子的表達可能決定了花生植株葉片海綿細胞的分化狀態。分析了擬南芥轉錄因子的同源互作網絡。結果表明，乙烯(ETH)和茉莉酸(JA)途徑具有關鍵特征，形成了以ERF4/6、WRKY40、MYC2和幾種JAZ蛋白為核心的蛋白質相互作用網絡。
六、應激反應機制研究
非生物脅迫是植物生長發育過程中的重要環境因素。通過對單細胞轉錄組的測序，探索不同處理條件下細胞類型的組成變化，分析生物的應激反應機制，有助於我們在單細胞水平上理解植物細胞和發育生物學的機制。
5438+2020年10月6月發表的文章[5]中，研究了水稻在高鹽低氮兩種非生物脅迫下的響應機制。首先研究了細胞類型特異性差異基因在不同環境脅迫下的表達，發現在低氮處理下差異表達的基因在高鹽處理下也表現出差異表達，這意味著植物可能會對不同的非生物脅迫做出反應，采取* * *重組調控網絡的策略。然後，研究了不同環境脅迫下細胞大小的變化。發現在高鹽度下生長的植物表現出原基和表皮細胞整體尺寸減小，這可能與滲透壓升高引起的細胞壁膨壓降低有關。這些結果揭示了非生物脅迫下細胞類型特異性的大小變化。最後，利用發育軌跡分析研究了不同環境脅迫下細胞群體組成的變化。發現高鹽低氮條件下葉肉細胞發育延遲，不僅有利於降低光合作用的能量消耗，而且有利於提高水稻幼苗對惡劣環境的抗性。
7.植物葉片單細胞研究思路綜述
目前，植物葉片單細胞的研究已在擬南芥、花生和水稻中開展，重點壹般是葉肉細胞和氣孔相關細胞，以揭示葉肉細胞和氣孔譜系細胞的發育調控機制。研究思路是構建物種葉片單細胞圖譜，通過細胞聚類、細胞亞群細分、標記基因鑒定、發育軌跡和基因調控網絡分析，分析細胞發育及其調控機制，探索植物葉片在非生物脅迫環境下的響應機制。相信隨著實驗和分析中壹些技術問題的突破，在今後的研究中，對其他細胞類型進行更深入的分析，對非模式物種進行更多的研究，對標記基因進行更多的挖掘和驗證，通過單細胞分析對植物細胞發育機制進行多維分析，將成為熱點課題。植物單細胞領域自興起以來呈現出蓬勃發展的強勁勢頭，必將在未來掀起壹場植物轉錄組研究的大革命！