项目文章丨国内首篇中草药植物的单细胞转录组测序文章！
2022年10月19日，北京博奥晶典生物技术有限公司合作南京中医药大学药学院的吴启南教授和浙江大学作物科学研究所和生物信息学研究所的樊龙江教授课题组的研究人员在 Front. Plant Sci. 上发表了荆芥嫩叶单细胞转录图谱的相关研究，并基于拟时间分析揭示了腺毛的分化轨迹。该文章是国内第一篇中草药植物的单细胞转录组报道！
本研究中 10x 单细胞转录组测序由北京博奥晶典生物技术有限公司提供。下面我们来看下这篇文章吧~
【发表期刊】Front. Plant Sci.
【影响因子】6.627
【发表时间】2022年10月19日
【发表单位】南京中医药大学&浙江大学
01
研究背景
荆芥叶片上的盾状腺毛（PGTs）特异的分泌和储存生物活性精油。ScRNA-seq 是揭示异质细胞和探索特定细胞发育和分化的有力工具。最近的研究在细胞谱系轨迹方面取得了重大进展，因此 scRNA-seq 也许可以帮助揭示腺毛（GT）细胞的分化和发育。
02
研究路线
03
研究结果
荆芥叶片的单细胞转录图谱
收集荆芥的幼叶，切成叶条，使用酶液消化细胞壁以获得原生质体并进行单细胞转录组测序。经过滤后，3 个样本（JJ1，JJ2，JJ3）分别获得 15672，7352 及 10275 个细胞，共 33254 个细胞，降维聚类得到 19 个 cluster，注释为 6 种细胞类型：（1）表皮细胞（EC）/毛状体细胞 c5、c7、c16 和 c17；（2）叶肉细胞（MC）c0、c1、c2、c3 和 c4；（3）增殖细胞（PC）c8、c10；（4）维管细胞（VC）c6、c9、c12；（5）伴胞细胞（CC）c13；（6）保卫细胞（GC）c15 和未知的 c11、c14 和 c18。
单细胞测序结果的原位杂交验证
由于 c5 缺乏已知的 marker 基因，因此选择在其内特异表达的基因（Sch000023592）进行 RNA 原位杂交分析，发现该基因在表皮中特异表达。通过 RNA 原位杂交证实了 c7（Sch000008466）、c16 （Sch000025057）和 c17（Sch000002898）中的簇特异性基因。
表皮细胞/腺毛细胞的重新分群分析
对表皮细胞/腺毛细胞群的 c5、c7、c16 和 c17 以及保卫细胞 c13 进行重新聚类显示了 13 个名为 E0-E12 的亚细胞簇。由于 E12 中特异高表达的萜类上游 MEP 相关基因和荆芥中已被表征的薄荷烷类单萜生物合成相关的基因，E9 特异高表达萜类上游 MVA 相关基因，进一步 E12 和 E9 特征基因进行 GO 富集分析，显示两者都富含“脂质代谢过程”和“脂肪酸代谢过程”，这与番茄毛细胞的 GO 富集术语一致。因此，E12 很可能为 PGT 细胞亚群，E9 被推测为其他腺毛亚群。
腺毛细胞的拟时间分化分析
通过使用 Monocle2 对 E12、E9 和 E10 的细胞进行拟时间分析，结果显示 E10 中的细胞向两个方向 E12（PGT）和 E9（其他毛状体）逐渐过渡，对 E10 细胞表达基因进行 GO 分析等显示在“细胞发育的调节”、“发育的细胞生长”和“参与分化的细胞形态发生的调节”等 term 富集，这表明 E10 细胞可能处于向毛状体发育和分化的阶段。通过拟时序的差异基因的筛选和表达分析获得腺毛发育相关的候选基因，有待于进一步研究。因此，scRNA-seq 与 Monocle2 的结合可能有助于探索在 PGT 和其他腺毛细胞发育过程中分化命运决定的关键因子。
与拟南芥嫩茎单细胞结果整合：保守又特异
研究人员从公共数据库下载 2 个拟南芥茎尖样本和 1 个拟南芥叶片样本的单细胞转录组测序数据与荆芥嫩叶单细胞结果进行整合分析，共 88952 个细胞，分为 24 个细胞簇（P0-P23），但拟南芥的茎尖单细胞数据中不含毛状体细胞。与拟南芥相比，荆芥中与 PGT 相关的细胞是独特的，而其他表皮细胞高度重叠，如 GC（PE4）。总之，比较不同物种的 scRNA-seq 数据可以探索独特的细胞类型和物种特征，同时在物种保护和进化中发挥重要作用。
全文结论及意义
首次构建了中草药-荆芥的单细胞分辨率的幼叶基因表达图谱；
使用拟南芥的同源已知 marker 基因和原位杂交对叶片的细胞簇进行注释；
通过单萜特异合成基因的表达确定了盾状腺毛细胞PGTs的细胞亚群，并对其进行了进行了拟时序分析筛选得到可能的腺鳞发育相关的调控基因为腺鳞形成的分子机制研究提供了数据基础；
盾状腺毛作为中药荆芥的品质载体，以上结果同时为提升中药荆芥的品质奠定基础
参考文献Zhou Peina, Chen Hongyu, Dang Jingjie, Shi Zunrui, Shao Yongfang, Liu Chanchan, Fan Longjiang, Wu Qinan. Single-cell transcriptome of Nepeta tenuifolia leaves reveal differentiation trajectories in glandular trichomes. Frontiers in Plant Science. 13.2022. DOI=10.3389/fpls.2022.988594
