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    Plant Biotechnology Journal | 單細胞轉錄組測序揭示了大白菜腹面和背面葉肉細胞的分化

          近日,Plant Biotechnology Journal在線發表了中國農業科學院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設計育種團隊完成的題為“Single-cell transcriptome reveals differentiation between adaxial and abaxial mesophyll cells in Brassica rapa”(單細胞轉錄組測序揭示了大白菜背腹面葉肉細胞的分化)的論文。該研究系統揭示了大白菜葉片單細胞的異質性,并在單細胞水平區分了葉片腹面的柵欄組織細胞和背面的海綿組織細胞,同時揭示了這兩類細胞的分化,是大白菜葉球形成機制研究的一個重要進展。


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          白菜類蔬菜屬于十字花科蕓薹屬,是我國重要的葉菜類蔬菜作物,包含了許多葉片形態多樣的亞種,如結球的大白菜和非結球的小白菜、菜心、水菜和烏塌菜等。葉肉細胞既是葉片中最大的細胞群,也是光合作用的主要場所,包括了葉片腹面的柵欄組織和背面的海綿組織。柵欄組織和海綿組織細胞的差異和分化對于維持葉片形態具有重要意義。近年來隨著單細胞RNA測序技術的應用,在單細胞水平探索葉片柵欄組織和海綿組織細胞之間的分化,并確定其關鍵的調控基因,對于揭示白菜類蔬菜作物葉片發育和葉球形成的機制非常重要。然而,人們對其知之甚少。

          該團隊通過單細胞轉錄組測序構建了大白菜葉片的單細胞轉錄組圖譜,其中包含16,055個高質量細胞,涵蓋8種細胞類型即葉肉細胞、表皮細胞、維管細胞、維管束鞘、保衛細胞、增殖細胞、韌皮部和木質部 (圖1)。該團隊進一步采用改良的tape-sandwich方法分離了葉片柵欄組織和海綿組織,通過轉錄組分析和原位雜交,發現并驗證了一批新的標記基因,從而將腹面的柵欄細胞和背面的海綿細胞在單細胞水平上區分開來。單細胞轉錄組分析發現了二者之間存在明顯的功能差異,即柵欄細胞主要行使光合作用,而海綿細胞主要響應外部環境刺激。而且還發現,柵欄細胞富含大量核糖體蛋白編碼基因,其中部分同源基因在擬南芥中已經被證明參與了葉片背腹極性的建成。有趣的是,大多數已知的背腹極性基因在成熟葉片中幾乎不表達,而是在葉片發育的起始或早期階段特異性表達。


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    圖1. 大白菜葉片單細胞轉錄組測序以及腹面和背面葉肉細胞的鑒定


          該研究為進一步了解白菜類和其他蕓薹屬作物的葉片發育和形態發生的復雜過程提供了新的見解。此外,本研究還提供了許多細胞類型特異性標記基因,這將促進單細胞轉錄組測序技術在白菜中的應用。研究結果對解析大白菜葉球形成機制具有重要意義。

          蔬菜分子設計育種團隊已畢業博士生郭新磊和梁建麗副研究員為共同第一作者,武劍研究員、王曉武研究員為論文通訊作者。本研究得到了國家重點研發計劃(2021YFF1000101)、基本科研業務費(Y2020PT21)和創新工程項目的支持。

          文章鏈接:https://doi.org/10.1111/pbi.13919


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