什么是高通量单细胞RNA测序技术？

2019年4月18日，国际学术期刊Molecular Plant 杂志在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所王佳伟研究组题为"A single-cell RNA sequencing profiles the developmental landscape of Arabidopsis root "的研究论文，在单细胞水平揭示了拟南芥根尖细胞的异质性，描绘了拟南芥发育全景图（developmental landscape）并重构了根尖分生组织细胞的发育轨迹。

值得一提的是，目前全球各地发表的植物单细胞测序的文章达到5篇了。iPlants报道了其中的三篇，包括一篇Plant Cell（点击查看）、Plant Physiology（点击查看）、Developmental Cell （点击查看）、一篇Science（未报道）和这一篇，包括4篇是根发育和1篇是雄性配子发育。该五篇文章几乎都是同时发表，表明该领域的竞争激烈，同时也说明了单细胞测序技术在植物研究应用中已经成熟，期待未来更多的植物组织细胞的测序，为解决植物如何从胚发育成全株提供更多的信息！

什么是高通量单细胞RNA测序技术？

自2009年汤富酬研究员在Nature Methods首次报道其开创性工作以来，单细胞RNA测序技术在生物医学领域，尤其是发育生物学和干细胞研究中展现出强大的应用前景。随着单细胞转录组扩增方法的不断优化和核酸测序通量的持续提升，几十甚至几百个单细胞所提供的信息已经不再能满足研究人员的需求。2015年以来，基于细胞条形码标记技术的液滴超高通量单细胞测序技术相继涌现，以哈佛大学的David Weitz等开发的inDrop和Drop-seq系统，以及10X Genomics公司的Chromium平台为代表。液滴超高通量单细胞测序技术所基于的原理是，利用微流控系统产生单个细胞+单个微球的纳升级液滴，每个微球表面包裹有特异的寡核苷酸序列（细胞条形码）对同一细胞来源的RNA分子进行标记，就可以对数千个细胞的cDNA合并建库，省去了对单个细胞的重复操作，大大提升了单细胞测序的通量和单个细胞测序的成本。关于液滴超高通量单细胞RNA测序技术的详细介绍和三个系统的全面测评，小编推荐近期由清华大学王建斌研究组和北京大学黄岩谊研究组合作的文章。植物中的工作大部分都选择了10X Genomics公司的Chromium平台，这也和该平台商业化最为彻底不无关系，在不考虑成本的情况下，Chromium平台在测评中各指标的表现也是最为稳健。从投稿时间来看，几项工作在Chromium平台推出之后不久就已经开展，足以见植物研究工作者也对这种高效、高性价比、高通量的单细胞RNA测序技术期待已久。

inDrop系统示意图

根是植物重要的组织器官，负责固定/支撑植物，从土壤中吸收水、矿质元素供给植物生长发育，参与植物与生物或非生物信号的互作。数量众多的细胞如何组装成一个完整的具有不同组织分化的根器官、发挥相关生物学功能是有趣和重要的科学问题。王佳伟研究组建立了植物单细胞RNA测序与分析系统，并将这一技术应用在拟南芥根的研究中。通过前期大量预实验，成功捕获了7,695个根单细胞转录组数据。在无监督分析条件下，这些根细胞被归为24个细胞类群。细胞类群注释分析鉴定了一些潜在的新细胞类型，并找到了一批细胞类型标记基因。尤为重要的是，通过t-SNE和UMAP算法展示聚类，重构了根发育的基本轨迹，实现了根分生组织细胞分裂和分化在单细胞水平上的准确投影。进一步利用伪时间（pseudo-time）分析，捕获了根尖分生组织细胞的分化轨迹和过渡态细胞，解析了根分生组织细胞如何通过协调细胞分裂和分化进程逐步形成根尖不同细胞类型的分子机理。此外，通过分析细胞类群对离子吸收和激素响应情况，揭示了不同根细胞类群的响应热图。该研究加深了我们对拟南芥根细胞组成和发育轨迹的认识，将根发育生物学从原先的组织器官水平提升到了单细胞水平。

中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所博士后张天奇和博士生徐洲更为本论文共同第一作者，中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所王佳伟研究员为通讯作者。该研究得到科技部、国家自然科学基金、中国科学院先导B项目、中国科协青年人才托举工程、中国博士后创新人才支持计划、Sanofi-SIBS青年人才奖学金的资助。