Tiene una función muy importante para las hojas de las plantas: Asegura el metabolismo de las plantas mediante la fotosíntesis y la respiración, y proporciona a las raíces el poder de absorber agua y nutrientes minerales del exterior mediante la transpiración. Debido a las limitaciones de la tecnología experimental y los marcadores, la investigación actual sobre células individuales de plantas se centra más en las raíces. Sin embargo, con el avance de los problemas de preparación de protoplastos, la investigación de células individuales en hojas de plantas ha aumentado gradualmente. Actualmente, hay muchos artículos sobre plantas individuales. células publicadas en Publicado en revistas de alto nivel como Developmental Cell, Molecular Plant, Plant Biotechnology Journal, etc.
1. Construyendo un mapa celular
Las hojas de las plantas están compuestas por células con diferentes formas y funciones específicas, y los patrones de expresión genética de los diferentes tipos de células son diferentes. La construcción de un mapa celular de hojas de plantas mediante la secuenciación del transcriptoma unicelular nos permite obtener una comprensión profunda de la composición de los tipos de células en las hojas de las plantas y obtener información de transcripción única para cada célula, identificando así la identidad y función celular.
1. Caso 1
En un artículo [1] publicado en la revista Molecular Plant en junio de 2020, los investigadores utilizaron cotiledones de 5 días de plántulas de Arabidopsis thaliana como materiales para Mediante secuenciación del transcriptoma celular se obtuvieron 12.844 células. Mediante análisis de agrupamiento y anotación celular, estas células se dividieron en 11 grupos de células diferentes, incluidos grupos de células correspondientes al desarrollo de estomas, como células madre de meristemo (MMC), células madre protectoras (GMC). , células planas (PC), células mesófilas (MPC) y células protectoras (GC), etc.
2. Caso 2
En un artículo [2] publicado en Plant Biotechnology Journal en junio de 2021, los investigadores utilizaron hojas de plántulas de maní de 7 días como materiales para el transcriptoma unicelular. Tras la secuenciación, se obtuvieron 6815 células y se construyó el primer mapa de expresión del gen unicelular de maní. Mediante el análisis de agrupación y anotación celular, estas células se dividieron en 8 grupos de células principales, incluidas las células del mesófilo en empalizada y las células del mesófilo. , células de primordios, células del floema, células de la vaina del haz, células del parénquima y células protectoras de los estomas. Mediante la construcción de un mapa celular se demostró que las hojas de las plantas están compuestas de células muy heterogéneas.
2. Subdivisión de subgrupos de células
En el estudio del desarrollo de órganos vegetales, la agrupación celular aproximada a menudo no puede representar completamente la trayectoria de desarrollo celular, y los grupos de subcélulas tendrán una diferenciación de desarrollo ascendente y descendente. La relación puede permitir un análisis más detallado de las trayectorias de desarrollo celular, por lo que la subdivisión de subpoblaciones celulares es particularmente importante.
1. Caso 1
En un artículo [3] publicado en Plant Cell en mayo de 2021, los investigadores utilizaron hojas maduras de Arabidopsis thaliana de 6 semanas de edad como materiales para el transcriptoma unicelular. secuenciación para revelar distintas propiedades de las células del floema de las hojas. Las células del haz vascular Grupo 4, Grupo 10 y Grupo 18 se subdividieron en subpoblaciones, y los tipos de células de las subpoblaciones se determinaron en función de los genes enriquecidos, que eran C4.1.1 (XP1), C4.1.2 (XP2) y C4.2. (BS2) C4.3 (BS1), C10.1.1 (PCPP), C10.1.2 (PCXP), C10.2 (PP1), C18.1 (PP2) y C18.2 (XP3), la subdivisión de celda. Las subpoblaciones determinan las dimensiones. La población celular de células del haz vascular XP-PCXP-PCPP-PP refleja la trayectoria de desarrollo potencial de las células del haz vascular.
2. Caso 2
En un artículo [4] publicado en The Plant Cell en enero de 2021, los investigadores utilizaron hojas de maíz como material para realizar la secuenciación del transcriptoma unicelular y analizaron el haz. diferenciación de la vaina del maíz y descubrió que las células de la vaina del haz se dividen en dos subgrupos, a saber, células de la vaina del haz abaxial (abBS) y células de la vaina del haz adaxial (adBS). Estos dos subgrupos se diferencian dorsoventralmente, en los que las células de la vaina del haz abaxial se diferencian. Células implicadas en la carga del floema de sacarosa. El análisis de subpoblaciones celulares puede proporcionar pruebas sólidas de las trayectorias de desarrollo celular.
3. Identificación de genes marcadores
En los organismos multicelulares, la generación de tipos celulares y funciones específicas de las células resulta en gran medida de la expresión diferencial de diferentes genes en las células. En el proceso de análisis de datos del transcriptoma unicelular, los genes característicos de una determinada subpoblación celular se identifican principalmente mediante análisis diferencial y luego se combinan con genes marcadores para identificar tipos de células. Por lo tanto, la extracción de nuevos genes marcadores puede ayudar a dilucidar en profundidad la heterogeneidad celular y es fundamental para identificar poblaciones celulares de tipos de células desconocidos durante el desarrollo de las plantas.
Por ejemplo, en un artículo publicado en la revista Molecular Plant en junio de 2020 [1], los investigadores utilizaron cotiledones de plántulas de Arabidopsis de 5 días de edad como materiales para la secuenciación del transcriptoma unicelular, utilizando varios genes marcadores conocidos. que estaban involucrados en la regulación del desarrollo de células del linaje estomático se verificaron en los tipos de células identificados, y se encontró que FAMA, TMM, HIC y SCRM se expresaban específicamente en tipos de células específicos, mientras que otros genes marcadores no eran específicos en células específicas. tipos de expresión, identificando así nuevos marcadores para diferentes grupos de células durante el desarrollo de células del linaje estomático, sentando las bases para explorar más a fondo reguladores potenciales del desarrollo de células del linaje estomático y analizando perfiles de expresión génica en diferentes grupos de células.
4. Investigación sobre trayectorias de desarrollo
La agrupación celular caracteriza esencialmente el desarrollo de las plantas como un proceso discontinuo, pero el proceso de desarrollo del cuerpo u órgano debe ser un proceso continuo e intrincadamente entrelazado Al analizar las rutas de diferenciación de las células de las hojas de las plantas a lo largo del tiempo, podemos comprender su proceso de desarrollo dinámico. El análisis pseudocronológico se refiere a la clasificación de células individuales a lo largo de la trayectoria en función de la similitud de los patrones de expresión entre las células, infiriendo así la trayectoria de diferenciación de las células o la evolución de los subtipos de células durante el desarrollo.
Por ejemplo, en un artículo [2] publicado en Plant Biotechnology Journal en junio de 2021, los investigadores utilizaron hojas de maní como material para realizar la secuenciación del transcriptoma unicelular, que no solo reveló las diferencias en las células de las hojas de maní. Cualitativamente, también se reconstruyó la trayectoria de desarrollo de las hojas de maní. Se encontraron cuatro pequeñas ramas cerca del tallo principal. Diferentes subpoblaciones de células mostraron heterogeneidad temporal en las principales vías de diferenciación celular. Además, el análisis pseudocronológico reveló 10 genes marcadores clave que pueden usarse para clasificar todas las células individuales en nueve estados de desarrollo y diferenciación de las células de la hoja.
5. Análisis de la red de regulación genética
Las diferencias en el estado de transcripción celular conducen a la heterogeneidad celular. La red de regulación genética dominada por factores de transcripción mantiene y estabiliza la especificidad del estado de transcripción. Analizar las redes reguladoras de factores de transcripción en diferentes tipos de células puede ayudarnos a comprender los mecanismos reguladores del desarrollo de las hojas de las plantas.
En un artículo [2] publicado en Plant Biotechnology Journal en junio de 2021, mediante el análisis de los niveles de expresión de factores de transcripción en diferentes grupos celulares, se encontró que en comparación con otros grupos, 91 eran Los factores de transcripción identificados tienden a estar regulados negativamente en los tejidos de las esponjas, lo que significa que la expresión de factores de transcripción que reprimen la transcripción puede determinar el estado de diferenciación de las células de las esponjas en las hojas de las plantas de maní. El análisis de la red de interacción homóloga de los factores de transcripción de Arabidopsis thaliana mostró que las vías del etileno (ETH) y del ácido jasmónico (JA) tienen características clave, formando una estructura central con ERF4/6, WRKY40, MYC2 y múltiples proteínas de interacción de proteínas JAZ.
6. Investigación sobre el mecanismo de respuesta al estrés
El estrés abiótico es un factor ambiental importante en el crecimiento y desarrollo de las plantas. A través de la secuenciación del transcriptoma unicelular, podemos explorar los cambios en la composición de los tipos de células bajo diferentes condiciones de tratamiento para analizar el mecanismo de respuesta al estrés de los organismos, lo que nos ayudará a comprender los mecanismos de las células vegetales y la biología del desarrollo a nivel unicelular.
En un artículo publicado en enero de 2020 [5], se estudió el mecanismo de respuesta del arroz bajo dos condiciones de estrés abiótico de alto contenido de sal y bajo contenido de nitrógeno. En primer lugar, se estudió la especificidad del tipo de célula bajo diferentes estreses ambientales. Expresión genética diferencial, se encontró que los genes que se expresaban diferencialmente en el tratamiento con bajo contenido de nitrógeno también se expresaban diferencialmente en el tratamiento con alto contenido de sal, lo que significa que las plantas pueden responder a diferentes estreses abióticos y adoptar la misma red reguladora.
Luego estudiamos los cambios en el tamaño celular bajo diferentes estreses ambientales y encontramos que las plantas cultivadas en condiciones de alta salinidad mostraron una disminución en el tamaño total de los primordios y las células epidérmicas, lo que puede estar relacionado con la disminución en la presión de turgencia de la pared celular causada por el aumento osmótico. Estos resultados revelan cambios de tamaño específicos del tipo de célula bajo estrés abiótico. Finalmente, se utilizó el análisis de la trayectoria del desarrollo para estudiar los cambios en la composición de la población celular bajo diferentes tensiones ambientales. Se descubrió que en condiciones de alto contenido de sal y bajo contenido de nitrógeno, el desarrollo de las células mesófilas no solo se retrasaba. Ayuda a las plántulas de arroz a reducir el consumo de energía de la fotosíntesis y favorece la mejora de la resistencia de las plántulas de arroz a ambientes hostiles.
7. Resumen de ideas para la investigación unicelular en hojas de plantas
Actualmente, la investigación unicelular en hojas de plantas se ha llevado a cabo en Arabidopsis, maní y arroz, centrándose generalmente en células del mesófilo y células relacionadas con los estomas para revelar los mecanismos reguladores del desarrollo de las células del mesófilo y las células del linaje de los estomas. La idea de la investigación es construir un mapa unicelular de las hojas de las especies mediante la agrupación y agrupación de células, subdividiendo subpoblaciones celulares de interés, identificando genes marcadores, estudiando trayectorias de desarrollo y redes reguladoras de genes, y analizando el desarrollo celular y los mecanismos reguladores de la respuesta. Se exploraron las hojas de las plantas bajo un ambiente de estrés abiótico. Creo que con la solución de algunos problemas técnicos a nivel experimental y analítico, en futuras investigaciones lograremos un análisis más profundo de otros tipos de células, realizaremos investigaciones sobre más especies no modelo, realizaremos la extracción y verificación de más genes marcadores y llevar a cabo análisis multiómicos únicos de células se convertirá en un tema candente en el análisis de los mecanismos de desarrollo de las células vegetales desde una perspectiva multidimensional. El campo de las células individuales vegetales ha mostrado un fuerte impulso para un desarrollo vigoroso desde sus inicios, ¡y seguramente desencadenará una gran revolución en la investigación del transcriptoma vegetal en el futuro!