Ideas de investigación | Veamos las rutinas de investigación de células individuales en las hojas de las plantas.
1. Construir un mapa comunitario
Las hojas de las plantas están compuestas por células con diferentes formas y funciones específicas, y los diferentes tipos de células tienen diferentes patrones de expresión genética. 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 transcripcional única para cada célula, identificando así la identidad y función de la célula.
1. Caso 1
En un artículo [1] publicado en la revista "Molecular Plant" en junio de 2020, los investigadores utilizaron cotiledones de plántulas de Arabidopsis de 5 días para producir materiales As. , se secuenciaron transcriptomas unicelulares y se obtuvieron 12.844 células. Mediante agrupación celular y análisis de anotaciones, estas células se dividieron en 11 grupos celulares distintos, incluido el desarrollo estomático. Por ejemplo, células madre meristemáticas (MMC), células madre protectoras (GMC), células planas (PC), células mesófilas (MPC) y células protectoras (GC).
2. Caso 2
En un artículo [2] publicado en el "Journal of Plant Biotechnology" en junio de 2021, los investigadores examinaron hojas individuales de plántulas de maní de 7 días. Se secuenció el transcriptoma celular y se obtuvieron 6815 células para construir el primer mapa de expresión génica unicelular de maní. Mediante agrupación celular y análisis de anotaciones, estas células se dividieron en 8 grupos celulares principales, incluidas las células del mesófilo en empalizada y las hojas de esponja. Mediante la construcción de un diagrama celular, se demostró que las hojas de las plantas están compuestas de células muy heterogéneas.
En segundo lugar, la subdivisión de subgrupos de células
En el estudio del desarrollo de órganos vegetales, la agrupación celular aproximada a menudo no puede describir completamente la trayectoria de desarrollo de las células, y los grupos de subcélulas tendrán más diferencias. La relación entre el desarrollo posterior y la diferenciación permite un análisis detallado de la trayectoria de desarrollo de las células, por lo que la subdivisión de subpoblaciones celulares es particularmente importante.
1. Caso 1
En un artículo publicado en Plant Cell en mayo de 2021 [3], los investigadores realizaron la transcripción unicelular de hojas maduras de Arabidopsis thaliana de 6 semanas de edad. El grupo realizó una secuenciación para revelar características distintas de las células del floema de las hojas. Los grupos de células del haz vascular 4, 10 y 18 se subdividieron en subgrupos y los tipos de células de los subgrupos se determinaron en función de los genes enriquecidos. Son C4.1.1(XP1), C4.1.2(XP2), c4.2 (bs2), c4.3 (bs1), c10.1.65438. C10.2 (PP 1), C18.1 (PP2) y C18.2 (XP3), la subdivisión de subpoblaciones celulares determina la población celular de las células del haz vascular XP-PCXP-PCPP-PP, lo que refleja el potencial de las células del haz vascular trayectoria de desarrollo.
2. Caso 2
En un artículo [4] publicado en "Plant Cell" en junio de 2021, los investigadores secuenciaron el transcriptoma unicelular de las hojas de maíz y analizaron la diferenciación de la vaina del haz. de maíz y descubrió que las células de la vaina del haz se dividen a su vez en dos subpoblaciones, las células de la vaina del haz abaxial (abb) y las células de la vaina del haz adaxial (adBS), que se diferencian dorsoventralmente, en cuyas subpoblaciones celulares El análisis puede proporcionar pruebas sólidas de las trayectorias de desarrollo celular .
En tercer lugar, la 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 la heterogeneidad celular y ser de gran importancia para identificar poblaciones de células con tipos de células desconocidos durante el desarrollo de las plantas.
Por ejemplo, en un artículo [1] publicado en la revista "Molecular Plant" en junio de 2020, los investigadores utilizaron los cotiledones de plántulas de Arabidopsis de 5 días de edad como material para realizar análisis del transcriptoma unicelular. Los tipos de células identificados se secuenciaron y validaron utilizando varios genes marcadores que se sabe están involucrados en la regulación del desarrollo de células del linaje estomático. Se encontró que FAMA, TMM, HIC y SCRM se expresan específicamente en tipos celulares específicos, mientras que otros genes marcadores no se expresan específicamente en tipos celulares específicos, identificando así nuevos marcadores para diferentes poblaciones celulares durante el desarrollo de células del linaje estomático, proporcionando una base para una mayor exploración del linaje estomático potenciales reguladores del desarrollo celular y proporcionan una base para analizar los perfiles de expresión génica de diferentes poblaciones celulares.
Cuarto, investigación de la trayectoria del desarrollo
La agrupación de células es esencialmente para representar que el desarrollo de las plantas es un proceso discontinuo, pero el proceso de desarrollo de organismos u órganos debe ser un proceso continuo. es complejo. Al analizar las vías de diferenciación de las células de las hojas de las plantas a lo largo del tiempo, podemos comprender su proceso dinámico de desarrollo. El análisis de series cuasi temporales se refiere a clasificar 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 el "Journal of Plant Biotechnology" en junio de 2021, los investigadores secuenciaron el transcriptoma unicelular de las hojas de maní, lo que no solo reveló la heterogeneidad sino que también reconstruyó el desarrollo. trayectoria de las hojas de maní y se encontraron cuatro pequeñas ramas cerca del tallo principal. Diferentes subpoblaciones celulares muestran heterogeneidad temporal en las principales vías de diferenciación celular. Además, el análisis de series cuasi temporales reveló 10 genes marcadores clave que pueden usarse para clasificar todas las células individuales en 9 estados de desarrollo y diferenciación de las células de la hoja.
Análisis de la red reguladora de genes verbales (abreviatura de verbo)
Las diferencias en el estado de transcripción celular conducen a la heterogeneidad celular. La red reguladora de genes liderada por factores de transcripción mantiene y estabiliza la especificidad del estado. Al analizar la red reguladora de factores de transcripción en diferentes tipos de células, podemos comprender los mecanismos reguladores del desarrollo de las hojas de las plantas.
Un artículo [2] publicado en Plant Biotechnology Journal en junio de 2021 analizó los niveles de expresión de factores de transcripción en diferentes grupos de células y encontró que, en comparación con otros grupos, 91 factores de transcripción identificados se expresaban en el tejido de la esponja. Hay una tendencia a la baja en , lo que significa que la expresión de factores de transcripción represores de la transcripción puede determinar el estado de diferenciación de las células esponjosas en las hojas de la planta de maní. Se analizó la red de interacción homóloga de factores de transcripción de Arabidopsis thaliana. Los resultados muestran que las vías del etileno (ETH) y del ácido jasmónico (JA) tienen características clave, formando una red de interacción de proteínas con ERF4/6, WRKY40, MYC2 y varias proteínas JAZ como núcleo.
6. Investigación sobre el mecanismo de respuesta al estrés
El estrés abiótico es un factor ambiental importante durante el crecimiento y desarrollo de las plantas. Al secuenciar transcriptomas unicelulares, explorar los cambios en la composición de los tipos de células en diferentes condiciones de tratamiento y analizar los mecanismos de respuesta al estrés biológico nos ayudará a comprender los mecanismos de las células vegetales y la biología del desarrollo a nivel unicelular.
En el artículo [5] publicado por 5438+ en octubre y junio de 2020, se estudió el mecanismo de respuesta del arroz bajo dos estreses abióticos de alto contenido de sal y bajo contenido de nitrógeno. Primero, estudiamos la expresión de genes diferenciales específicos del tipo de célula bajo diferentes estreses ambientales y descubrimos que los genes expresados diferencialmente bajo un tratamiento con bajo contenido de nitrógeno también mostraron una expresión diferencial bajo un tratamiento con alto contenido de sal, lo que significa que las plantas pueden responder a diferentes estreses abióticos. estrategias para * * * reorganizar la red regulatoria. Luego, se estudiaron los cambios en el tamaño celular bajo diferentes tensiones ambientales. Se descubrió que las plantas cultivadas en condiciones de alta salinidad exhiben un tamaño total reducido de primordios y células epidérmicas, lo que puede estar relacionado con una reducción de la presión de turgencia de la pared celular causada por una mayor presión osmótica. 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 el retraso en el desarrollo de las células del mesófilo en condiciones de alto contenido de sal y bajo contenido de nitrógeno no sólo ayuda a reducir el consumo de energía de la fotosíntesis, sino que también ayuda a mejorar la resistencia de las plántulas de arroz a ambientes hostiles.
7. Descripción general de las ideas de investigación sobre células individuales en hojas de plantas
Actualmente, la investigación sobre células individuales en hojas de plantas se ha llevado a cabo en Arabidopsis, maní y arroz, con un enfoque general. 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, analizar el desarrollo celular y sus mecanismos reguladores mediante agrupación celular, subdivisión de subgrupos celulares, identificación de genes marcadores, trayectoria de desarrollo y análisis de redes reguladoras de genes, y explorar los efectos de las hojas de las plantas bajo Mecanismo de respuesta al estrés abiótico. Se cree que con el avance de algunas cuestiones técnicas en experimentos y análisis, en futuras investigaciones se llevarán a cabo análisis más profundos de otros tipos de células, más investigaciones sobre especies no modelo y más exploración y verificación de genes marcadores. El análisis multidimensional de los mecanismos de desarrollo de las células vegetales mediante análisis unicelulares se convertirá en un tema candente. El campo de las células individuales vegetales ha mostrado un fuerte impulso de desarrollo vigoroso desde su aparición y seguramente desencadenará una revolución en la investigación del transcriptoma vegetal en el futuro.