近日，山东省农业科学院花生栽培与生理生态创新团队与青岛华大基因研究院合作在中科院一区Top期刊Plant Biotechnology Journal（IF=13.263，Q1）在线发表了题为“Spatial transcriptome analysis on peanut tissues shed light on cell heterogeneity of the peg”（https://doi.org/10.1111/pbi.13884）的研究论文。山东省农业科学院与青岛华大共同开发了适用于花生等非模式植物的高分辨空间转录组制备技术，使用华大自主研发的500 nm微球阵列芯片，完成了对花生不同组织/细胞中的基因表达空间信息检测，首次绘制了非模式植物空间基因表达图谱，为植物微观结构和基因功能研究架起了新的桥梁，为植物发育和作物育种等研究提供了新的方法。
近年来，单细胞测序技术取得快速发展，但其在植物领域的应用仍面临诸多挑战：部分植物组织分化程度较高，导致制备原生质体困难；原生质体制备过程中，无法保留细胞或组织即时的转录状态，不适用于经外界条件处理（如病原菌侵染、温度变化等）的组织样本；忽略了细胞在空间位置上的异质性，无法获取细胞空间位置信息，只能借助已知关键Maker基因，对细胞的位置进行推测。而最新发展的空间转录组（时空组）技术能够有效弥补单细胞测序技术的不足，既能实现在时间维度上解析细胞的发育分化轨迹，又能实现在空间维度上解读每个细胞的基因表达特征。空间转录组技术因其强大的高通量基因表达原位表征能力，在生命科学研究中呈现出广泛的应用潜力。
本研究首先改进了植物样品制备方法，创建了“两步法”透化处理技术，极大地提高了植物mRNA的捕获效率。对于分化程度较高的下胚轴皮层组织，其单个细胞区域的平均基因捕获数量仍旧达到了1449个。此外，本研究所使用的植物材料在取材后数秒内即完成冷冻固定，最大程度维持样品中即时转录状态。在此基础上，本研究进一步利用该技术对花生4种组织进行比较分析，揭示了花生果针这一特殊组织的细胞异质性。花生具有地上开花、地下结果的生物特性。在受精后，花生雌蕊发育成果针并向地生长，入土后在地下发育成果实。果针是花生特有的组织，其与茎具有相似的解剖学特征，而生理功能上却与根相近。本研究将花生果针与茎、根、胚轴等具有类似结构的组织进行了空间转录组比较分析，解析了花生果针包含的不同细胞类群以及每个细胞类群的空间位置信息，明确了不同组织含有的细胞类型。研究发现，果针中仅在维管束区域（韧皮部和木质部）的细胞类型与根和茎中的维管束区域相似，果针表皮、皮层和髓等部位的细胞类型与茎和根中均不相同，说明果针是一种与茎和根均有较大差异的组织。进一步对果针中每个细胞类群的基因表达特征分析发现，果针尖端和中后部的表皮（外皮层）细胞被聚类为2个不同的簇（cluster）。功能分析显示，参与糖苷和皂苷合成的基因在果针尖端的表皮中富集，用以保护果针尖端的胚珠不受地下害虫的侵害；而感知环境信号的基因在果针中后部表皮中富集，赋予其能够感知土壤刺激并在地下启动胚胎和果实发育的生物学特性。
山东省农业科学院刘译阳和青岛华大基因研究院李春华为该论文的共同第一作者，我院万书波研究员、李国卫研究员及徐国鑫博士为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、泰山学者工程、山东省科技计划项目等经费支持。
日期：2022-07-13
