高等植物個體都由單個受精卵通過細胞分裂和分化而來。數量眾多、功能多樣的細胞組成了一套複雜而精密的調控系統。直徑大小不足100μm的莖尖分生組織（shoot apical meristem）具有細胞多能性。它是所有植物地上部分組織和器官的來源，維持著植物的“無限生長”。莖尖分生組織幹細胞如何通過特定的分裂與分化軌跡發育成為不同的組織和器官是植物發育生物學的覈心科學問題之一。
2021年3月15日，國際學術期刊Developmental Cell期刊線上發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心王佳偉研究組題為“A single-cell analysis of theArabidopsisvegetative shoot apex“的研究論文。該論文在單細胞水准揭示了擬南芥莖尖細胞的異質性（heterogeneity），通過轉錄組差异性分析重構了完整的植物細胞週期圖譜，並刻畫了莖尖幹細胞分化成為不同細胞類型的動態連續過程。
儘管單細胞RNA測序科技（scRNA-seq）正日益廣泛應用在植物科學研究中，但由於莖尖分生組織體積小、深埋於莖尖、細胞解離難度大，在單細胞水准揭示其異質性和複雜性仍存在巨大科技難度。通過不斷嘗試、優化調整以及莖尖組織的精准分離，王佳偉研究組成功獲得了36643個高品質擬南芥營養期莖尖（vegetative shoot apex）和葉片組織單細胞轉錄組數據。通過原位雜交和標記基因分析，將這些細胞分別注釋為葉肉細胞、莖尖分生組織細胞、表皮細胞、保衛細胞、韌皮部細胞、木質部細胞、伴胞細胞和莖尖內皮層細胞等23個細胞簇（cell cluster）。這些細胞簇分屬於7個細胞類群（cell population），其中表皮細胞類群由莖尖分生組織L1層細胞發育而來，而葉肉細胞和維管束細胞類群則分別來源於分生組織的L2和L3層細胞。
通過細胞亞聚類分析，發現每個細胞類群中分屬G0/G1，S，G2和M期的細胞可以組成一個完整的細胞週期環，展現出細胞週期行程的連續性（continuum）。通過重排過渡態細胞（transit-amplifying cells）和擬時間（pseudotime）分析，進一步重構出氣孔細胞、韌皮部篩管細胞、木質部導管細胞的精細發育軌跡圖，找到了細胞命運轉變過程中的中間態細胞，並描繪了相關的轉錄調控網絡。在此基礎上，結合反向遺傳學鑒定了幾個參與重力反應和木質部發育的新基因。
同時深入考察了莖尖分生組織幹細胞類群的異質性。通過對細胞多能性轉錄因數STM陽性細胞（STM+ cell）的聚類分析，發現由多能性幹細胞向表皮、葉肉或維管束的分化是一個連續漸變的過程。一些早期幹細胞同時表達STM和葉片/維管束内容基因。最後，通過綜合分析莖尖、葉片和根尖單細胞轉錄組數据集，構建了第一張擬南芥單細胞全景模式圖，發現地上和地下部分在表皮細胞和維管束分化中既存在相似性又具有不同的發育特徵。
綜上，這些研究成果將植物莖尖分生組織的研究由傳統的組織器官水准提升到單細胞水准，相關單細胞轉錄組資料庫的建立為檢索基因表達模式，深入挖掘參與植物細胞分裂和分化的基因奠定了良好的基礎。此外，本研究中建立的分析流程和研究策略也為單細胞轉錄組測序科技在作物中的應用提供了有益的借鑒。
中科院分子植物科學卓越創新中心博士後張天奇為論文第一作者，王佳偉研究員為通訊作者，博士研究生陳瑜也參與到該項研究中。該研究得到國家自然科學基金委基礎科學中心項目、中國科學院先導項目、中國科協青年人才托舉工程和中國博士後創新人才支持計畫的資助。
論文連結：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2021.02.021
通過單細胞轉錄組測序科技構建了模式植物擬南芥莖尖和葉片的單細胞圖譜（shoot apex single-cell landscape）。該項研究成果揭示了植物細胞的異質性（heterogeneity），在單細胞水准對莖尖和葉片組織進行了精確的分型。找到了處於幹細胞和分化細胞之間的過渡態細胞，並在此基礎上描繪了莖尖幹細胞分化成為氣孔和維管束細胞的分化軌跡（trajectory）。揭示了植物細胞週期行程的連續性，鑒定了一些新的細胞週期基因。此外，還闡明了莖尖和根尖細胞在轉錄組上的相似性和特异性。相關資料庫的建立為擬南芥基因表達模式的檢索、植物發育生物學和功能基因組學的研究奠定了良好的基礎。
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