文献阅读分享｜时序单细胞转录图谱揭示拟南芥幼苗中由光驱动的细胞命运分化

细胞命运的确定和分化是多细胞生物的核心发育过程，受细胞内分子网络和细胞外环境信号的调节。当幼苗从土壤中出现时，大多数从种子开始的植物都要经历从光形态发生(在黑暗或黄化下发生的发育模式)到光形态发生(在光照下发生的发育)的过程，虽然形态发生的确切模式在不同的分类群之间有很大的不同，但是从单细胞藻类到被子植物，核心光信号机制在功能上是保守的。然而，由于技术瓶颈，光调控的细胞类型特异性转录和发育反应在以前的研究中很大程度上未被探索。

2023年10月30日，在国际知名杂志Nature Plants上在线发表了来自北京大学现代农业研究院邓兴旺院士和何航研究员团队的题为“Time Series Single-Cell Transcriptional Atlases Reveal Cell Fate Differentiation Driven by Light in Arabidopsis Seedlings”的研究论文，首次获得了植物单细胞水平暗转光过程中基因的表达动态，解析了光信号调控网络在表皮、维管、皮层等多种细胞发育过程中的作用方式。

研究人员通过对去黄化的茎和根进行了时序单细胞RNA测序(scRNA-seq)，分析拟南芥幼苗并构建了包含92，861个有效细胞的时空细胞图谱。发现芽细胞在转录状态上表现出逐渐但剧烈的变化；然而，根细胞在有光和无光的情况下都相当稳定。

研究人员通过对去黄化的茎和根进行了时序单细胞RNA测序(scRNA-seq)，分析拟南芥幼苗并构建了包含92，861个有效细胞的时空细胞图谱。发现芽细胞在转录状态上表现出逐渐但剧烈的变化；然而，根细胞在有光和无光的情况下都相当稳定。

图1:脱黄化幼苗的细胞图谱

因为表征单个细胞类型和不同发育阶段中时空特异性表达的基因可以用作阐明多细胞生物中内在分子调节模块的有力工具。在注释和验证细胞类型后，研究人员鉴定了12，447个细胞簇优先表达基因和73个时空表达模块。有了关于细胞类型和光照持续时间的信息，接着研究人员估计了每种芽细胞类型在去黄化背景下的发育动态，使其能够在各自的光照条件下识别各自的细胞分化轨迹，并识别相关的新调节因子。

图2:时空特异性基因的表达

图3:光促进韧皮部发育，但抑制木质部发育

图4:黑暗与光明下的GC开发网络