2022年2月4日，NEW PHYTOLOGIST在線發(fā)表了上海交通大學生命科學技術學院袁政教授團隊和烈冰團隊通力合作的水稻花序單細胞文章，對水稻花序組織中細胞的分化發(fā)育進行了全面剖析。

烈冰生物CTO宗杰博士和王麗、朱璐博士為共同第一作者，上交大袁政教授為本文章通訊作者，張大兵教授，梁婉琪教授等參與了本項研究的實施。該文發(fā)表于植物權威期刊《New Phytologist》(IF=10.15)，題目為A rice single cell transcriptomic atlas defines the developmental trajectories of rice floret and inflorescence meristems，該研究首次揭示了水稻花序早期發(fā)育單細胞動態(tài)全景圖。

烈冰生物全面參與了單細胞測序實驗和數(shù)據(jù)分析工作,其中本項目中的單細胞實驗和數(shù)據(jù)分析均由烈冰完成。下面請跟隨小編的步伐，從分析的第一視角來看看本文的研究思路和分析呈現(xiàn)吧~

實驗設計

實驗分組：采用水稻花序早期發(fā)育各生殖分生組織轉換、花器官屬性建立等發(fā)育過程的樣本：S1（＜2mm花序）：S2（2-3mm花序）：L（劍葉）=2：2：1

捕獲平臺：BD Rhapsody^TM

數(shù)據(jù)分析平臺：NovelBrain^®生物信息分析云平臺

平臺分析工具：聚類分析、marker gene鑒定、GOPathway 分析、擬時序分析、Qusage分析

結果解析

01 水稻花序細胞異質性分析

利用NovelBrain^®生物信息分析云平臺，烈冰生信專家團隊對37571個高質量細胞的單細胞轉錄組數(shù)據(jù)進行了無偏聚類分析，共劃分為16個群體（Cluster）并利用單細胞瀏覽器對t-SNE圖進行了可視化展示（圖1a），隨后，基于AUROC分析（圖2b）、 皮爾森相關性分析和細胞占比統(tǒng)計等多種分析證明，S1和S2兩個重復樣本中細胞群體高度一致和數(shù)據(jù)的可靠性。

圖1 （1）水稻花序異質性分析

進一步，基于已報道的marker gene，研究人員繪制了heatmap圖，同時聯(lián)合基于GSEA的QuSAGE分析（圖1c）和細胞占比統(tǒng)計（圖1e）等多種方法，將上述16個細胞簇鑒定為小穗、分生組織、葉和花序軸四大細胞類群。為了獲得不同類群的準確功能偏好，烈冰團隊整合了包括TAIR、IRGSP等多個植物學注釋數(shù)據(jù)庫，構建了水稻和擬南芥的本地GO、pathway數(shù)據(jù)庫，并以此進行了全面準確的基因富集分析。結果顯示：與“細胞分裂”相關的基因在分生組織細胞中富集、與“花發(fā)育”相關的基因在小穗組織細胞中富集，這些結果表明了水稻花序早期發(fā)育中存在高度的細胞異質性。

圖1 （2）水稻花序異質性分析

02 花細胞亞群的發(fā)育軌跡分析

水稻花序組織復雜，不同細胞類型之間異質性大，因此需要對同類細胞進行細分分類，以獲得更精細的解析結果，這也是遇到復雜組織時的常見分析策略。在對花細胞進行了細分分群（圖2a）過程中，烈冰團隊結合已報道的marker gene對各個簇進行了細胞類型鑒定（圖2b），得到了包括外稃、內稃、漿片和雄蕊在內的該時期全部已知水稻花器官，還發(fā)現(xiàn)了小穗屬性細胞（SIC）、FM、邊界細胞（boundary）、隱性苞片（cryptic bract）等新的細胞類群。研究發(fā)現(xiàn)，WOX類轉錄因子DWT1在FM中高度富集表達，基于該生信分析結果，研究團隊使用遺傳學方法進一步分析了DWT1對花序的影響（圖2e,f），即DWT1參與花序的發(fā)育，調控水稻FM的活性，這也是DWT1與花發(fā)育功能相關的首次報道。

圖2 （1）花細胞亞群異質性分析

利用monocle算法的擬時序分析，我們重建了花細胞亞群的兩條發(fā)育軌跡：生殖器官（FM、pa、lo、st等花組織）軌跡和非生殖器官軌跡（cb、le、sl, rg等苞葉類附生組織），并證明“真正的”水稻花序包含SIC、FM、pa、lo和st等器官，而rg、sl、le不屬于花。此外，通過表達模式分析并結合已有文獻的報道，發(fā)現(xiàn)ROC/HDG家族基因高度富集的SIC細胞群處于SpM和FM的表皮層，這也得到了原位雜交的驗證。

圖2 （2）花細胞亞群發(fā)育軌跡分析

03 花序分生組織異質性分析

同樣的策略下，烈冰團隊對分生組織進行了深入分析，將其分為花序分生組織（IM）、分枝分生組織（BM）和小穗分生組織（SM）三大類群，并用擬時序分析重建了分生組織的發(fā)育軌跡：IM會向BM 或 SM轉化。在此基礎上，對細胞分化的關鍵節(jié)點進行了BEAM分析，將控制側生分生組織轉變的調節(jié)因子分為了4類；同時在利用激素通路相關的基因集合對BEAM分析的結果進行掃描時，發(fā)現(xiàn)不同激素對水稻花序分生組織屬性轉換時所起的精細調控作用。

圖3 花分生組織異質性分析

04 OsAUX1促進初級分枝伸長

基于BEAM分析結果，交大研究團隊深入分析了生長素轉運蛋白OsAUX1的表達模式和生物學功能，證明OsAUX1主要影響花序和分支，并為生長素調控水稻花序發(fā)育提供了直接的遺傳學證據(jù)。

圖4 OsAUX1的表達模式和生物學功能