山东省农业科学院联合青岛华大生命科学研究院，利用华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq和自主开发的适用于花生等植物样品的空间转录组制备技术，首次构建了非模式植物—花生的空间转录组图谱，解析了花生特有的器官—果针（peg）以及根、茎、下胚轴等组织复杂的细胞类型分布差异与基因表达的空间特征，为进一步揭示花生及其他植物发育的分子机理提供了新的见解。
该研究2022年7月6日发表于Plant Biotechnology Journal，以下是该文的详细解读。
文章题目：Spatial transcriptome analysis on peanut tissues shed light on cell heterogeneity of the peg
发表时间：2022-07-06
发表期刊：Plant Biotechnology Journal
主要研究团队：山东省农业科学院、青岛华大生命科学研究院等
影响因子：13.263
DOI：10.1111/pbi.13884
近年来，高通量scRNA-seq技术以及空间转录组技术发展迅速，尤其是在人、小鼠等模式动物中广泛应用。然而，植物组织的高度分化导致的原生质体制备困难、原生质体制备过程中细胞瞬时转录信息的丢失以及已知标记基因研究的缺乏等，大大限制了时空组学技术在植物尤其是非模式植物中的应用。
花生是一种开花受精之后要落到地里生长结果的非模式植物，它具有一种特殊的器官—果针（peg），能够将受精子房嵌入土壤中并向地生长发育成果实。果针具有类似茎的形态解剖学结构却表现出与根相似的向地生长的生理功能。早在2013年，就有研究人员利用光学显微镜和透射电镜观察了花生果针的显微和亚显微结构，观察到花生受精的胚珠位于果针顶端，包被于皮层细胞和居间分生组织中，且居间分生组织的细胞较为致密，呈上宽下窄的“H”状，此处的细胞分裂促进了果针的生长*。
*李海芬,李合英,陈小平等.花生果针细胞显微和亚显微结构特征[J].热带作物学报,2013,34(03):501-503.
然而，关于果针、根、茎以及下胚轴等具有类似解剖学结构的组织的复杂细胞类型组成和空间基因表达特征的认识尚不充分，阻碍了对该类非模式植物发育分子机制和基因功能的深入研究。因此，需要开发出适用于花生等非模式植物的空间转录组样品制备技术，建立花生高分辨率的空间转录组图谱，并进一步开展系统的空间转录组比较分析，表征出果针与根、茎以及下胚轴的细胞类型分布差异与基因表达的空间特征，为其他类似植物的空间转录组研究奠定基础。
利用华大自主研发的Stereo-seq技术，分析了花生果针、根、茎以及下胚轴4种组织。
样本制备：采用研究人员自主开发的两步冷冻包埋法和两步渗透法，将厚度为10 μm的冷冻切片固定在100 mm2的Stereo-seq芯片上，并用超声波雾化器将透化液喷洒在芯片表面完成组织透化。
基于具有纳米级分辨率的时空组学技术Stereo-seq，研究人员对花生的果针、根、茎和下胚轴4种组织进行空间转录组测序，首次构建了花生的高分辨率空间转录组图谱（图1a、b）。研究人员在40 μm×40 μm大小的区域平均捕获了871个基因（表1），其中在下胚轴捕获的基因数最高（1449个基因），根捕获的最低（271个基因）。
为了解析花生不同组织的转录组特征，研究人员以bin80（每个最小计算单元为直径40 μm）的分辨率进行聚类分析和细胞类型注释，确定了18种细胞类型，包括果针的基本组织、表皮及外皮层细胞、皮质细胞、皮层细胞、韧皮部和形成层细胞和维管束前体细胞等（图1b）。通过比较分析，表征了花生不同组织区域的细胞类型组成及其空间分布差异（图1b），揭示了不同组织的差异基因的空间表达模式，包括韧皮部皮质（WAT1）、木质部实质（CESA7）、表皮及外皮层（XTH1）和果针胚珠（MADS1和AGL5）等组织特异基因（图1f）。
值得一提的是，研究人员发现了茎和下胚轴的表皮及外皮层（cluster 11），以及根和果针的表皮及外胚层（cluster 12、2和13，图1b）。其中，茎和下胚轴的表皮及外皮层可以进一步分成两个亚群（图1b），分别与光合作用及碳固定和细胞壁修饰以及植物病原体抗性有关，体现出了花生组织发育与环境适应的协调性。
为了进一步表征果针的空间异质性，研究人员利用差异基因表达分析和GO功能富集分析，发现果针尖端和基底部分的表皮和外皮分成两个细胞簇，分别为根表皮和外皮层（cluster 12）和果针表皮和外皮层（cluster 2），尖端表皮差异高表达基因与糖苷和皂苷的合成有关，从而保护了胚珠免受地下害虫的侵害，而基底表皮则与环境信号刺激的感知等功能有关，符合其感知土壤刺激并在地下启动胚珠发育的生物学特性。
图1 花生组织的空间转录组图谱
研究人员对来自茎的细胞进行再聚类分析，共得到了9个细胞亚群S0-S8（图1c）。通过对S4-S7构建发育分化轨迹，发现韧皮部的形成层细胞（S7）具有分别向木质部导管和木质部薄壁组织（S6和S4）和筛管伴胞（S5）分化的双向能力，为进一步探究茎的细胞分裂和分化过程中如何形成有序的空间分布提供了新的见解。
该研究利用Stereo-seq并结合自主开发的适用于植物样本的空间转录组样本制备技术，首次构建了花生的高分辨率空间转录组图谱，系统的表征了花生特有器官果针与根、茎以及下胚轴的空间分布及基因表达异质性。通过比较果针的尖端和基底部分的表皮和外皮的差异，揭示了花生同一类型的细胞具有基因表达的高度差异，并进一步表征了花生茎形成层细胞具有向导管和筛管双向分化的能力。该研究为植物发育的分子机理和功能基因组学的深入研究奠定了基础。
山东省农业科学院作物种质资源研究所刘译阳和青岛华大生命科学研究院李春华，为本文共同第一作者；山东省农业科学院作物种质资源研究所李国卫研究员、万书波研究员以及山东省农业科学院湿地农业与生态研究所徐国鑫博士，为本文共同通讯作者。
了解更多植物相关研究新进展，可参考综述：Yin R, Xia K, Xu X. Spatial transcriptomics drives a new era in plant research. Plant J. 2023 Aug 31. doi: 10.1111/tpj.16437. Epub ahead of print. PMID: 37651723.
