近日，北京大学现代农业研究院的李博生研究员团队、邓兴旺院士团队及华大生命科学研究院夏科科研究员团队使用Stereo-seq生成的精细空间单细胞数据（通过单细胞分割共获得28,036个单细胞，覆盖19,821个基因）首次探索了番茄愈伤组织在芽再生培养过程后期样本的空间转录组，发现愈伤组织内存在高度异质性的细胞群体，包括表皮、维管组织、芽原基、成熟芽和内部愈伤组织，提升了对番茄愈伤组织中芽再生时期的细胞和分子方面的理解，揭示了绿色组织（chlorenchyma）细胞在芽原基细胞位置决定和分化发育中的重要作用，并展示了空间转录组在植物生物学研究中的巨大潜力。
该研究2023年9月13日发表于国际期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS），以下是文章的详细解读。
文章题目：Spatial transcriptomics reveals light-induced chlorenchyma cells involved in promoting shoot regeneration in tomato callus
发表时间：2023-09-13
发表期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
主要研究团队：北京大学现代农业研究院、华大生命科学研究院等
影响因子：11.100
DOI：10.1073/pnas.2310163120
- 研究背景 -
新生芽器官从头再生（De novo shoot organogenesis，DNSO）是植物再生的一个重要过程，包括愈伤组织的形成和重新建立的芽原基再生芽。愈伤组织是作物工程中参与植物再生和基因转化的一种可重编程细胞团。多能愈伤组织细胞通过不定芽再生发育成可育芽。
番茄（Solanum lycopersicum）作为一种重要的经济作物，在组织培养中表现出比大豆、小麦和玉米等作物更高的再生能力。虽然DNSO已被广泛应用于作物育种的离体组织培养技术中，能够产生具有理想性状的稳定转基因或基因编辑作物，但番茄中的DNSO分子机制尚不清楚。该研究通过构建番茄芽再生过程中愈伤组织的空间转录组图谱为芽原基发育提供了新见解。
- 研究样本 -
分别利用华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq、BMKMANU S1000和10×Visium分析三个生物复制的番茄愈伤组织（样本i，ii和iii）。同时，利用snRNA-seq分析相同时期的愈伤组织（样本iv）。
- 研究成果 -
1. 构建番茄愈伤组织芽再生时期的空间转录组图谱
利用Stereo-seq以500 nm（0.5 μm）的分辨率，基于细胞壁染色图像获得的细胞边界信息生成精细的空间单细胞转录组数据。剔除低质量细胞后，共获得28,036个单细胞的空间转录组数据，覆盖19,821个基因，平均每个细胞451个基因。使用Seurat进行的无监督聚类分析确定了7个细胞类群（针对样本i），并原位呈现出了7个细胞类型的精确空间分布（图1C）。通过结合组织学图像信息和拟南芥同源marker基因表达，成功地将样本i中的细胞类型分别注释为表皮（簇1）、维管组织（簇4）、芽原基（簇5、6）、成熟芽（簇2）和内部愈伤组织（簇0、3，图1C和F)。这一注释与解剖观察结果相符。同时，使用RNA原位杂交进一步验证了所选marker基因的空间表达（图1G）。
在样本ii中，作者使用BMKMANU S1000以50 μm的分辨率捕获了3,511个spots。在样本iii中，采用10×Visium以100 μm的分辨率捕获了2,051个spots。
通过组织形态学观察和marker基因表达发现，样本ii和样本iii可以鉴定出与样本i相似的细胞类型区域，但Stereo-seq从亚细胞分辨率实现了更精准的细胞类型的注释和细胞空间位置的发现。此外，研究者们还获得了17,214个单细胞转录组，每个细胞平均有1,736个基因。通过无监督分析，这17,214个细胞被分为22个不同的细胞类群。在snRNA和空间转录组中发现的集群之间的相似性被用于样本iv中细胞类型的一致注释。
综合以上所有结果，基于Stereo-seq生成了真正的空间单细胞转录组数据，实现了对具有再生芽的番茄愈伤组织中不同细胞类群的空间分布注释，生成了一个高质量的番茄愈伤组织再生过程中的空间转录组细胞图谱。
图1. 基于空间转录组的番茄愈伤组织的细胞簇和细胞类型鉴定
2. 番茄愈伤组织表皮表现出细胞异质性和功能多样性
基于上述Stereo-seq获得的空间转录组细胞图谱，研究者们在DNSO过程中鉴定了多种细胞类型，凸显了番茄愈伤组织中高度的细胞异质性，这与之前关于拟南芥愈伤组织的单细胞研究一致。表皮亚型的鉴定依赖于基因表达聚类结合空间位置，比snRNA-seq更准确。该研究结果表明，番茄愈伤组织表皮结构在空间上表现出细胞异质性（呈现出靠近培养基一侧的表皮和临近空气的表皮）和功能多样性（图2）。
图2. 番茄愈伤组织表皮结构和功能的多样性
3. 番茄愈伤组织中的维管组织支持芽再生
通过空间聚类，研究者们捕获了清晰的维管组织以及维管组织表达的基因富集的GO terms。发现Epidermis-like 2与番茄愈伤组织中维管组织的功能相似，表明它们具有协调有效的代谢和运输必要物质的系统，以支持芽再生（图3）。
图3. 番茄愈伤组织维管组织结构和功能的多样性
4. 芽原基在细胞和分子水平上的空间特征
芽原基细胞是DNSO过程中至关重要的细胞类型，它作为芽祖细胞会发育成未来芽的顶端分生组织（shoot apical meristem，SAM）和整个芽。根据空间聚类结果，研究者们观察到番茄愈伤组织的再生芽原基呈现出密集的细胞群，且主要位于靠近空气的Epidermis-like 1附近（图4B），并通过组织学分析证实了芽原基的细胞学特征和位置偏好特征。
图4. 番茄愈伤组织中芽原基空间分辨特征的表征
5. 芽原基周围的光诱导的绿色组织细胞促进芽再生
利用空间转录组的主要优势之一是能够容易地破译不同细胞之间的位置及相互作用关系。研究者们对光合作用相关基因模块的表达模式展开研究，发现番茄愈伤组织的芽原基被表达光合基因的细胞包围，这些细胞含叶绿体，称为绿色组织（chlorenchyma）细胞。
黑暗后见光处理影响芽原基分化，光诱导绿色组织细胞对芽再生十分关键。然而，光形态建成相关基因在芽原基和绿色细胞中却无特定空间表达模式。此外，与周围的绿色组织细胞相比，芽原基中负责将蔗糖转化为葡萄糖的蔗糖转化酶基因和SlTORs的空间表达相对较高，这表明绿色组织细胞产生的蔗糖可能被转移到芽原基并转化为葡萄糖，从而激活葡萄糖-TOR信号通路，从而促进芽原基或分生组织的发育（图5I）。
图5. 番茄愈伤组织芽原基周围的绿色组织细胞对愈伤组织再生的促进作用
- 研究总结 -
与专注于愈伤组织起始和多能性获得的研究不同，该研究专门研究了愈伤组织分化和芽原基形成，为DNSO在不同发育阶段的细胞和分子层面提供了有价值的见解。
此外，该研究采用了Stereo-seq等多种空间组技术和单核转录组技术，研究一种重要的经济作物—番茄，揭示了番茄愈伤组织包含多种细胞类型，包括表皮、维管组织、芽原基、成熟芽和内部愈伤组织。这一综合分析构建了精准的番茄愈伤组织细胞图谱，并鉴定了芽原基形成的关键因子，揭示了光合和TOR信号在芽再生中的关键作用。
本研究由北京大学现代农业研究院、华大生命科学研究院等团队联合完成。华大生命科学研究院夏科科研究员、郭鹏茹副研究员为该文共同第一作者。
内容 | 沙金
审校 | 夏科科、晓玲、万顺
