2022年2月4日，NEW PHYTOLOGIST在線發(fā)表了上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院袁政教授團(tuán)隊(duì)和烈冰團(tuán)隊(duì)通力合作的水稻花序單細(xì)胞文章，對(duì)水稻花序組織中細(xì)胞的分化發(fā)育進(jìn)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(xiàng)研究的實(shí)施。該文發(fā)表于植物權(quán)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(xì)胞動(dòng)態(tài)全景圖。

烈冰生物全面參與了單細(xì)胞測(cè)序?qū)嶒?yàn)和數(shù)據(jù)分析工作,其中本項(xiàng)目中的單細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析均由烈冰完成。下面請(qǐng)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)分組：采用水稻花序早期發(fā)育各生殖分生組織轉(zhuǎn)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(tái)：BD Rhapsody^TM

數(shù)據(jù)分析平臺(tái)：NovelBrain^®生物信息分析云平臺(tái)

平臺(tái)分析工具：聚類分析、marker gene鑒定、GOPathway 分析、擬時(shí)序分析、Qusage分析

結(jié)果解析

01 水稻花序細(xì)胞異質(zhì)性分析

利用NovelBrain^®生物信息分析云平臺(tái)，烈冰生信專家團(tuán)隊(duì)對(duì)37571個(gè)高質(zhì)量細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行了無偏聚類分析，共劃分為16個(gè)群體（Cluster）并利用單細(xì)胞瀏覽器對(duì)t-SNE圖進(jìn)行了可視化展示（圖1a），隨后，基于AUROC分析（圖2b）、 皮爾森相關(guān)性分析和細(xì)胞占比統(tǒng)計(jì)等多種分析證明，S1和S2兩個(gè)重復(fù)樣本中細(xì)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(zhì)性分析

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

圖1 （2）水稻花序異質(zhì)性分析

02 花細(xì)胞亞群的發(fā)育軌跡分析

水稻花序組織復(fù)雜，不同細(xì)胞類型之間異質(zhì)性大，因此需要對(duì)同類細(xì)胞進(jìn)行細(xì)分分類，以獲得更精細(xì)的解析結(jié)果，這也是遇到復(fù)雜組織時(shí)的常見分析策略。在對(duì)花細(xì)胞進(jìn)行了細(xì)分分群（圖2a）過程中，烈冰團(tuán)隊(duì)結(jié)合已報(bào)道的marker gene對(duì)各個(gè)簇進(jìn)行了細(xì)胞類型鑒定（圖2b），得到了包括外稃、內(nèi)稃、漿片和雄蕊在內(nèi)的該時(shí)期全部已知水稻花器官，還發(fā)現(xiàn)了小穗屬性細(xì)胞（SIC）、FM、邊界細(xì)胞（boundary）、隱性苞片（cryptic bract）等新的細(xì)胞類群。研究發(fā)現(xiàn)，WOX類轉(zhuǎn)錄因子DWT1在FM中高度富集表達(dá)，基于該生信分析結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)使用遺傳學(xué)方法進(jìn)一步分析了DWT1對(duì)花序的影響（圖2e,f），即DWT1參與花序的發(fā)育，調(diào)控水稻FM的活性，這也是DWT1與花發(fā)育功能相關(guān)的首次報(bào)道。

圖2 （1）花細(xì)胞亞群異質(zhì)性分析

利用monocle算法的擬時(shí)序分析，我們重建了花細(xì)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(dá)模式分析并結(jié)合已有文獻(xiàn)的報(bào)道，發(fā)現(xiàn)ROC/HDG家族基因高度富集的SIC細(xì)胞群處于SpM和FM的表皮層，這也得到了原位雜交的驗(yàn)證。

圖2 （2）花細(xì)胞亞群發(fā)育軌跡分析

03 花序分生組織異質(zhì)性分析

同樣的策略下，烈冰團(tuán)隊(duì)對(duì)分生組織進(jìn)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(shí)序分析重建了分生組織的發(fā)育軌跡：IM會(huì)向BM 或 SM轉(zhuǎn)化。在此基礎(chǔ)上，對(duì)細(xì)胞分化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了BEAM分析，將控制側(cè)生分生組織轉(zhuǎn)變的調(diào)節(jié)因子分為了4類；同時(shí)在利用激素通路相關(guān)的基因集合對(duì)BEAM分析的結(jié)果進(jìn)行掃描時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同激素對(duì)水稻花序分生組織屬性轉(zhuǎn)換時(shí)所起的精細(xì)調(diào)控作用。

圖3 花分生組織異質(zhì)性分析

04 OsAUX1促進(jìn)初級(jí)分枝伸長(zhǎng)

基于BEAM分析結(jié)果，交大研究團(tuán)隊(duì)深入分析了生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsAUX1的表達(dá)模式和生物學(xué)功能，證明OsAUX1主要影響花序和分支，并為生長(zhǎng)素調(diào)控水稻花序發(fā)育提供了直接的遺傳學(xué)證據(jù)。

圖4 OsAUX1的表達(dá)模式和生物學(xué)功能