顶刊分享---单细胞空间转录组学揭示了根组织如何适应土壤胁迫（水稻）

作者，Evil Genius

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今天我们分享文献，单细胞用于植物的研究。

知识积累

陆地植物在土壤中茁壮成长，表现出截然不同的特性和环境压力。根系可以适应截然不同的土壤条件和压力，但它们的反应如何在单个细胞尺度上编程仍然不清楚。

土壤的异质性特征是养分、水分、微生物和有机物含量的不均匀分布，这与生长介质的均匀性形成鲜明对比，强调了理解植物根系在分子和细胞水平上如何在自然土壤中导航、适应和茁壮成长的根本重要性。

单细胞RNA测序（scRNA-seq）和空间转录组学方法在不同环境中生长的植物器官中的应用有可能揭示根发育阶段基因表达的复杂性，并确定细胞类型特异性响应环境胁迫的机制。

土壤压力是全球农业面临的一个主要挑战。例如，土壤压实压力降低了根系渗透，从而影响养分和水分的吸收，进而影响作物产量。根系对压实土壤产生了适应性生长反应;但是潜在的基因细胞群-具体的转录反应和分子机制仍然知之甚少。

结果一、水稻根scRNA-seq和空间转录组图谱

10X单细胞技术 + 公共数据。

scRNA-seq研究通常依赖于伪时间分析来推断发育阶段，这是一种基于基因表达相似性对细胞进行排序的计算方法，但并不代表实际时间。这种方法受到起点选择的影响，这可能会影响解释。

空间荧光技术辅助细胞注释。

结果二、土壤生长的根改变外部组织中的表达

标准化的基于土壤的生长方案。

从基于凝胶的scRNA-seq数据和空间转录组学应用到土壤生长的根中获得的知识来注释我们基于土壤的scRNA-seq数据。

单细胞数据的差异富集分析。

与在无菌均质凝胶中繁殖相比，在土壤中生长的根似乎通过上调所有细胞类型中的防御、营养和细胞壁相关基因表达来适应其异质性环境。与内部细胞层相比，外部细胞层更敏感，加强营养吸收（即“获得营养”）和细胞壁完整性，以促进根系探索土壤中的异质资源。这种细胞层特异性反应也有助于保护发育中的根系免受非生物和生物信号的影响（即“保持压力”），这些信号在自然土壤中分布不均匀。这些重要的见解突出了在自然土壤环境中生长的样品上应用单细胞分析方法的好处。

结果三、土壤压实触发根ABA和屏障形成

根系可以适应不同的土壤胁迫，但它们的反应如何在单个细胞尺度上编程仍然不清楚。土壤压实降低了空气空间与土壤颗粒的比例，导致更高的机械强度，从而阻碍根系生长并引发适应性反应。为了显示暴露于压实应力的单个根细胞类型如何改变它们的基因表达谱，scRNA-seq和空间转录组数据集由在较高土壤体积密度下生长的根生成。

不同条件下的细胞基因差异表达分析。

scRNA-seq分析表明，ABA生物合成主要发生在内层细胞层，而ABA反应则在外层细胞层被激活，这与已发表的研究结果一致，即在根中柱中合成的ABA随着水分通量径向向外移动，以激活外层组织的反应。

结果四、ABA诱导的根屏障减少压实过程中的水分损失

土壤压实会对根系施加水分胁迫，因为较小的土壤孔隙会减少水分释放。根系中木栓质和木质素积累的协调调节对于维持各种植物物种的水分平衡至关重要。

scRNA-seq分析显示，在细胞外基质中，许多木质素和木栓素生物合成基因的表达上调。（外皮层）和内（内皮层）根细胞层，可形成质外体不透水屏障。

木质素和木栓质屏障形成的生理和功能重要性是什么？在屏障中次生细胞壁形成之间的一个关键环节是增强的细胞壁刚度，这有助于保护根系免受土壤机械应力的影响。

ABA有一个关键的作用，在触发适应性反应，压实应力，其中包括诱导木质素和木栓质障碍的外皮层和中柱细胞类型，共同采取行动，以防止根径向水分流失。

为了响应这种土壤胁迫，韧皮部细胞上调非生物胁迫信号阿坝的生物合成基因的表达，然后靶向外部根细胞类型，如外皮层，形成不透水屏障，以减少根系水分损失。

最后看看方法

植物细胞的注释

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