空間轉(zhuǎn)錄組（Spatial Transcriptomics）是測量完整組織切片的總mRNA穿稳，將總mRNA的空間信息與形態(tài)學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，并繪制所有基因表達發(fā)生的位置蝗羊，獲得生物過程復(fù)雜而完整的基因表達圖譜党晋。在確定不同細胞群的同時保留空間位置，為細胞功能常拓、表型和組織微環(huán)境中位置的關(guān)系提供了重要信息』云郑可揭示精細生理區(qū)域中激活的信號通路弄抬，完成分子特征驅(qū)動生物特征的機制解析。

Nature Methods將空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)評價為2020年度方法宪郊，空間轉(zhuǎn)錄組方法最近今年越來越受到歡迎掂恕，它將帶領(lǐng)組學(xué)在生物學(xué)的研究上進入新的階段。從轉(zhuǎn)錄組測序到實現(xiàn)單細胞轉(zhuǎn)錄測序弛槐，這一過程為精確認識不同細胞類型提供了巨大的幫助“猛觯現(xiàn)在，新的空間轉(zhuǎn)錄組方法不僅帶來轉(zhuǎn)錄組信息乎串，同時還提供空間信息店枣，幫研究者更好辨別轉(zhuǎn)錄的位置，進一步擴展到單細胞分辨率灌闺，這會更大程度提升對單個細胞的認識和解讀艰争。

因此，相比于單細胞測序桂对，空間轉(zhuǎn)錄組能告訴我們另外一層的信息就是：空間位置信息。

相比于在人和動物中的發(fā)展鸠匀，植物里面這方面的研究還相對比較少蕉斜。今天分享一篇前幾天online的華大發(fā)表的一篇關(guān)于植物空間轉(zhuǎn)錄組的文章。

植物單細胞方面的研究，葉片的文章已經(jīng)有好幾篇了宅此。這篇文章選取的是樣本為6周齡的擬南芥莖生葉机错，擬南芥品種為野生型Columbia-0。

眾所周知父腕，葉片是植物的重要器官之一弱匪，能夠通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變?yōu)樯锬堋Ｈ~片的細胞組成主要包括葉肉細胞璧亮、表皮細胞萧诫、保衛(wèi)細胞和維管細胞，其中葉肉細胞可以進一步分為柵欄細胞和海綿細胞枝嘶，而表皮細胞可以分為上帘饶、下表皮細胞。這些細胞在葉片的發(fā)育和功能發(fā)揮中扮演著不同的角色群扶，如果找到合適的工具系統(tǒng)性地區(qū)分并研究這些細胞的功能和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及刻，將促使人們進一步了解葉片的工作機理，從而推動在光能轉(zhuǎn)化以及農(nóng)業(yè)育種方面的研究進程竞阐。

文中第一部分缴饭，作者主要闡述了他們自主研發(fā)的植物空間轉(zhuǎn)錄組Stereo-seq技術(shù)（下圖A）。通過實驗篩選骆莹，他們選取了4張時空芯片的26個擬南芥葉片樣本進行了整合以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集的構(gòu)建颗搂。最后，總共獲得了13,950個高質(zhì)量高數(shù)據(jù)量的單細胞數(shù)據(jù)（下圖B）汪疮。

針對于這個技術(shù)和結(jié)果峭火，作者先進行了可靠性方面的驗證。首先可以把細胞分為4種類型智嚷，6種亞型（下圖A）卖丸，這個和單細胞的結(jié)果基本類似，但是盏道，和單細胞不同的是稍浆，可以獲得細胞的空間分布信息。然后對比了4種類型的幾個參數(shù)指標(biāo)：gene num猜嘱， UMI num衅枫，percentage of mitochondrial genes等，也相差不多朗伶，基本類似（下圖B）弦撩。然后鑒定了四種類型的marker gene（下圖C），基本也是以前報道過的比較重要的marker gene论皆。然后益楼，作者又和以前的bin20方法進行了對比猾漫，發(fā)現(xiàn)不管是用所有的marker基因還是top5的marker基因，他們方法鑒定出來的能表達的cell數(shù)目都是遠遠多于bin20的（下圖D）感凤。從PCA聚類結(jié)果來看悯周，相同的細胞類型也是緊緊聚在一起的（下圖E/F）。從而陪竿，說明結(jié)果的可靠性禽翼，可以用于后續(xù)的分析。

接下來族跛，作者主要探索了空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的應(yīng)用優(yōu)勢闰挡，尤其是相對于單細胞數(shù)據(jù)。作者指出在以前的植物單細胞研究中庸蔼，部分細胞亞型往往因分子特征高度相似而難以通過單細胞等技術(shù)得到有效地區(qū)分和研究解总。例如，葉片表皮細胞中的上姐仅、下表皮細胞花枫，葉肉細胞中的柵欄細胞和海綿細胞。但是通過空間轉(zhuǎn)錄組的切片和位置信息掏膏，則可以做到很好的區(qū)分劳翰。比如在下圖A中，作者用幾個marker gene發(fā)現(xiàn)有時候很能區(qū)分馒疹，但是通過細胞的空間位置分布佳簸，很容易的就可以區(qū)分上下表皮和不同的葉肉細胞。圖C中作者重點分析了表皮細胞颖变，也是可以明顯發(fā)現(xiàn)生均，利用單細胞數(shù)據(jù)，聚類上面是區(qū)分不開的腥刹，但是空間轉(zhuǎn)錄組則完全可以區(qū)分马胧。然后作者對比了上下表皮細胞的差異基因（下圖D），并對差異基因進行了富集分析衔峰，發(fā)現(xiàn)上表皮很多光合作用和能量代謝的基因佩脊，但是下表皮則很多stress響應(yīng)相關(guān)的基因。

接著垫卤，作者利用時空位置信息威彰，探索了基因的空間表達差異。根據(jù)葉片上的空間分布穴肘，作者從葉片中間向兩端的方向劃分成了4個區(qū)域（0區(qū)為主葉脈歇盼，3區(qū)為葉邊緣），并以此為基礎(chǔ)在細胞中進行了基因表達模式分析（下圖A）评抚。首先基于所有的細胞，根據(jù)基因表達镜廉，劃分成了3個pattern（下圖B）。然后對于每個pattern，做了GO富集分析悲关。結(jié)果發(fā)現(xiàn)光合作用效率從主葉脈到葉緣逐漸增加，而主葉脈 的主要角色是與物質(zhì)運輸相關(guān)（下圖C/D）阱当。然后只利用葉肉細胞做了同樣的分析沟突，也是根據(jù)基因表達分成了3個pattern（下圖E），做了每個pattern的GO富集分析（下圖F/G）丈积，結(jié)果發(fā)現(xiàn)葉肉細胞的pattern2和pattern3的基因顯著富集于物質(zhì)運輸與高滲機械刺激等反饋相關(guān)的GO中筐骇，表明0區(qū)的葉肉細胞與維管細胞之間可能存在較為頻繁的物質(zhì)交換。

和單細胞的軌跡分析一樣江滨，作者也嘗試?yán)每臻g位置信息來探索不同細胞的空間發(fā)育軌跡铛纬。作者做了兩類細胞類型：維管束細胞（下圖A-C），表皮細胞/保衛(wèi)細胞（下圖D-F）【當(dāng)然我不清楚為啥放了這兩類唬滑，好像也沒有分析葉肉細胞】告唆。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在維管細胞中，主葉脈區(qū)域的細胞相較于葉緣其分化程度更低晶密，擁有更高的多功能干性擒悬。而在表皮和保衛(wèi)細胞中，保衛(wèi)細胞顯著富集于發(fā)育軌跡的一支稻艰，但它們在空間上沒有表現(xiàn)出明顯差異懂牧，但是表皮細胞有什么規(guī)律，作者并未闡述尊勿。

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