最近，DeepSeek如同一匹黑馬，儼然成為科研圈的熱搜王！不過(guò)，小編更關(guān)心的是，DeepSeek能為我們的科研工作帶來(lái)哪些全新啟發(fā)，是否能夠幫助我們開拓研究思路、優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，大幅提升效率呢？為了滿足好奇心，小編親身去“探”了探，體驗(yàn)感up！夠新穎，夠智能，關(guān)鍵是很對(duì)科研人的胃口。
近年來(lái)，光合作用作為植物生命活動(dòng)的核心環(huán)節(jié)，與糧食安全、能源開發(fā)及氣候變化等全球性挑戰(zhàn)密切相關(guān)，備受科學(xué)界和行業(yè)的高度關(guān)注。時(shí)空組學(xué)技術(shù)是近年來(lái)比較火熱的技術(shù)之一，在植物領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛且深入，該技術(shù)通過(guò)同時(shí)獲取細(xì)胞的空間位置信息和基因表達(dá)數(shù)據(jù)，為理解植物組織生長(zhǎng)發(fā)育、生理生化、抗逆應(yīng)激、生物進(jìn)化等多個(gè)方面提供了重要的研究手段。
于是，我問(wèn)DeepSeek：植物如何利用時(shí)空組學(xué)進(jìn)行光合作用研究？
植物利用時(shí)空組學(xué)（Spatio-Temporomics）研究光合作用，主要通過(guò)整合空間組學(xué)（空間分辨的分子數(shù)據(jù)）和時(shí)間組學(xué)（動(dòng)態(tài)變化的分子數(shù)據(jù)），揭示光合作用相關(guān)基因、蛋白質(zhì)、代謝物等在時(shí)間和空間上的協(xié)同調(diào)控機(jī)制。以下是具體研究方向和技術(shù)的應(yīng)用：1.空間組學(xué)解析光合作用的細(xì)胞/組織異質(zhì)性
- 空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)：
利用單細(xì)胞或空間分辨轉(zhuǎn)錄組技術(shù)（如10x Genomics Visium、MERFISH），定位光合作用相關(guān)基因（如編碼光系統(tǒng)蛋白的基因、卡爾文循環(huán)酶基因）在葉片不同細(xì)胞類型（葉肉細(xì)胞、維管束鞘細(xì)胞）或不同組織區(qū)域的表達(dá)差異。例如，C4植物中光合基因在葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞中的空間特異性表達(dá)。
- 空間蛋白質(zhì)組學(xué)：
通過(guò)質(zhì)譜成像（MALDI-MSI）或熒光標(biāo)記技術(shù)，研究光合作用關(guān)鍵蛋白（如Rubisco、PSII復(fù)合體）在葉綠體基質(zhì)、類囊體膜等亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的分布，以及光強(qiáng)變化對(duì)蛋白定位的影響。
- 空間代謝組學(xué)：
分析光合中間產(chǎn)物（如ATP、NADPH、蔗糖）在葉片不同區(qū)域的動(dòng)態(tài)積累，揭示光合同化產(chǎn)物（如淀粉、糖）的運(yùn)輸與分配機(jī)制。
2.時(shí)間組學(xué)揭示光合作用的動(dòng)態(tài)調(diào)控
- 晝夜節(jié)律與光響應(yīng)：
通過(guò)時(shí)間序列轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，研究光合作用基因（如LHCB、PIFs）在晝夜周期中的表達(dá)波動(dòng)，以及光信號(hào)（如紅光、藍(lán)光）如何通過(guò)生物鐘調(diào)控光合效率。
- 發(fā)育階段動(dòng)態(tài)：
比較幼苗、成熟葉、衰老葉中光合相關(guān)基因的時(shí)序表達(dá)模式，揭示葉綠體發(fā)育（如原質(zhì)體分化）和衰老過(guò)程中光合能力的動(dòng)態(tài)變化。
- 環(huán)境脅迫響應(yīng)：
分析高溫、干旱或高光脅迫下，植物光合作用相關(guān)基因和代謝物的短期（分鐘級(jí)）和長(zhǎng)期（數(shù)天）響應(yīng)，例如光保護(hù)機(jī)制（非光化學(xué)淬滅，NPQ）的動(dòng)態(tài)調(diào)控。
3.時(shí)空整合解析光合作用的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)
- 多組學(xué)整合：
結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組數(shù)據(jù)，構(gòu)建光合作用基因-酶-代謝物的時(shí)空調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。例如，光合同化產(chǎn)物（如蔗糖）的輸出如何與維管組織發(fā)育相關(guān)聯(lián)。
- 細(xì)胞間通訊研究：
利用空間組學(xué)數(shù)據(jù)，分析葉肉細(xì)胞與維管束鞘細(xì)胞之間的代謝物交換（如C4植物的CO2濃縮機(jī)制），或共生微生物（如固氮菌）如何影響宿主光合作用。
- 3D時(shí)空建模：
通過(guò)計(jì)算模型模擬葉片中光梯度、CO2擴(kuò)散與光合基因表達(dá)的空間耦合關(guān)系，預(yù)測(cè)最優(yōu)光合效率的葉片結(jié)構(gòu)。
4.應(yīng)用場(chǎng)景與案例
- C3與C4植物比較：
時(shí)空組學(xué)可揭示C4植物光合細(xì)胞分工（Kranz結(jié)構(gòu)）的進(jìn)化機(jī)制，例如PEP羧化酶在維管束鞘細(xì)胞中的特異性表達(dá)。
- 作物改良：
通過(guò)篩選光合效率時(shí)空差異的基因（如調(diào)控氣孔開閉的基因），設(shè)計(jì)高光效作物品種。
- 極端環(huán)境適應(yīng)：
研究荒漠植物（如仙人掌）如何在干旱條件下時(shí)空調(diào)控光合相關(guān)基因，減少水分流失。
5.技術(shù)挑戰(zhàn)與未來(lái)方向
- 技術(shù)限制：
當(dāng)前空間組學(xué)分辨率（單細(xì)胞/亞細(xì)胞級(jí)別）和通量仍需提升，尤其是葉綠體內(nèi)分子動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
- C3與C4植物比較：
跨尺度（分子-細(xì)胞-組織）和多組學(xué)數(shù)據(jù)的整合分析需要更強(qiáng)大的算法支持。
- 活體動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：
開發(fā)非侵入式成像技術(shù)（如熒光報(bào)告系統(tǒng)），實(shí)時(shí)追蹤光合作用相關(guān)分子的時(shí)空動(dòng)態(tài)。
DeepSeek提到的當(dāng)前空間組學(xué)分辨率（單細(xì)胞/亞細(xì)胞級(jí)別）和通量的限制，百邁客生物已經(jīng)進(jìn)行了優(yōu)化提升，推出了百創(chuàng)S3000空間轉(zhuǎn)錄組芯片（捕獲區(qū)面積：6.8*6.8mm2，相鄰兩個(gè)捕獲位點(diǎn)的中心距為3.5μm）。該芯片具有高基因捕獲效率，搭配植物多尺度細(xì)胞分割技術(shù)，部分植物組織單個(gè)細(xì)胞中位基因數(shù)可達(dá)1000+，基因捕獲能力媲美單細(xì)胞測(cè)序。
關(guān)于應(yīng)用方向場(chǎng)景案例，DeepSeek究竟說(shuō)的對(duì)不對(duì)？
我們還需要結(jié)合已發(fā)表的文獻(xiàn)看一看，于是小編又下載盤點(diǎn)了7篇植物光合作用方向的時(shí)空組學(xué)文章，這些成果發(fā)表期刊有Nature(IF=50.5)與預(yù)印本系統(tǒng)bioRxiv。研究的物種涉及水稻、高粱、玉米、狗尾草、黍、冰葉日中花、Urochloa fusca、堇娘芥等，涉及組織部位主要是幼苗葉片、葉原基等。
接下來(lái)，我們一起來(lái)看看植物光合作用方向的時(shí)空組學(xué)應(yīng)用進(jìn)展吧！
1.祖先細(xì)胞身份網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)C4光合作用的進(jìn)化
英文標(biāo)題：Exaptation of ancestral cell-identity networks enables C4?photosynthesis發(fā)表期刊：Nature
影響因子：50.5
物種樣本：水稻（Oryza sativa，C3植物）、高粱（Sorghum bicolor，C4植物）
測(cè)序策略：單細(xì)胞核RNA測(cè)序、單細(xì)胞核多組學(xué)測(cè)序、高分辨率sci-RNA-seq3技術(shù)
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08204-3
發(fā)表時(shí)間：2024.11.20
取樣策略：
單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組：水稻和高粱幼苗暗生長(zhǎng)5天后，在光周期（12h光/12h暗）中采集0h（暗）、0.5h、1h、2h、4h、6h、8h、12h、48h共9個(gè)時(shí)間點(diǎn)的地上組織?？傆?jì)水稻190,569個(gè)核、高粱265,701個(gè)核。
圖1-水稻和高粱單細(xì)胞測(cè)序取樣過(guò)程示意圖
① 地球上大多數(shù)高產(chǎn)植物通過(guò)C4途徑進(jìn)行光合作用，相較于原始的C3途徑，C4途徑的光合效率提高了50%。維管束鞘細(xì)胞在激活光合作用中扮演了關(guān)鍵角色。然而，維管束鞘細(xì)胞如何執(zhí)行光合調(diào)控功能尚不明確。
② 該研究通過(guò)單細(xì)胞RNA測(cè)序(sc-RNAseq)和單細(xì)胞轉(zhuǎn)座酶可及性染色質(zhì)測(cè)序(sc-ATACseq)，揭示了C4葉片中維管束鞘細(xì)胞基因表達(dá)的變化與C3葉片中已知的順式調(diào)控元件相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，在C3植物水稻和C4植物高粱中，DOF motif在維管束鞘細(xì)胞中定位，并能調(diào)控光合作用的發(fā)展。在高粱中，大多數(shù)受光合作用調(diào)控的高表達(dá)基因都受到DOF motif的調(diào)控。這些轉(zhuǎn)錄因子在不同細(xì)胞間穩(wěn)定表達(dá)，并能在C3和C4植物葉片的維管束鞘細(xì)胞中激活光合作用。
③ 該研究結(jié)果為理解復(fù)雜的C4途徑進(jìn)化提供了分子層面的見解，并為指導(dǎo)C3和C4作物的生長(zhǎng)發(fā)育提供了理論基礎(chǔ)。
圖2-水稻和高粱幼苗去黃化過(guò)程中單細(xì)胞核的基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性
2.禾本科植物單細(xì)胞分辨率下C3與C4光合作用順式調(diào)控基礎(chǔ)研究
英文標(biāo)題：Investigating the cis-Regulatory Basis of?C3?and?C4?Photosynthesis in Grasses at Single-Cell Resolution發(fā)表期刊：bioRxiv
物種樣本：C4植物：玉米（Zea mays，NADP-ME型）、高粱（Sorghum bicolor，NADP-ME型）、黍（Panicum miliaceum，NAD-ME型）、Browntop Signalgrass（Urochloa fusca，PEPCK型）；對(duì)照C3植物：水稻（Oryza sativa）
測(cè)序策略：sciATAC-seq
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.01.05.574340
發(fā)布時(shí)間：2024.01.05
取樣策略：
發(fā)育階段：C4物種取第三葉展開期葉片，C3水稻取18天齡葉片；
技術(shù)重復(fù)：每個(gè)物種設(shè)置生物學(xué)重復(fù)，總計(jì)玉米16,060核、高粱15,301核、黍7,081核、Browntop Signalgrass共19,110核、水稻5,952核。
① 盡管關(guān)于C4光合作用關(guān)鍵酶的研究已經(jīng)有了相當(dāng)多的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于在特定細(xì)胞類型中指定其表達(dá)的重要順式調(diào)控機(jī)制（cis-regulation）的了解卻少之又少。
② 該研究使用單細(xì)胞sci-ATAC-seq來(lái)鑒定與C4酶相關(guān)的特異細(xì)胞類型的可及染色質(zhì)區(qū)域（ACRs），研究涵蓋了五種不同的禾本科植物，包括四種C4植物和一種C3植物。其中，C4植物分屬三種不同的光合亞型：玉米（Zea mays）和高粱（Sorghum bicolor）屬于NADP-ME亞型；黍（Panicum miliaceum）屬于NAD-ME亞型；Urochloa fusca屬于PEPCK亞型；C3植物水稻（Oryza sativa）
③ 該研究繪制了所有C4植物中必需酶和各C4亞型特有酶的cis-調(diào)控圖譜，并使用染色質(zhì)可及性數(shù)據(jù)測(cè)量C4酶的特定細(xì)胞類型偏好。將這些數(shù)據(jù)與系統(tǒng)發(fā)育學(xué)相結(jié)合，揭示了物種間基因家族成員的多樣化共選擇，展示了C4進(jìn)化的不同路徑。除了啟動(dòng)子近端ACRs，研究發(fā)現(xiàn)C4基因平均每個(gè)都有兩到三個(gè)遠(yuǎn)端特異性細(xì)胞類型的ACRs，這突出了C4進(jìn)化的復(fù)雜性和多樣性。在研究這些特異性細(xì)胞類型ACRs的進(jìn)化歷史時(shí)，發(fā)現(xiàn)即使在密切相關(guān)的物種中，也存在從保守到新穎的ACRs光譜，表明這些C4位點(diǎn)的順式調(diào)控正在持續(xù)進(jìn)化。
④ 該研究揭示了C4光合作用關(guān)鍵基因位點(diǎn)的順式調(diào)控進(jìn)化動(dòng)態(tài)和復(fù)雜性，尤其強(qiáng)調(diào)了這些位點(diǎn)的精細(xì)化順式調(diào)控進(jìn)化。研究成果為未來(lái)進(jìn)一步探索提供了重要資源，可能有助于在氣候變化條件下優(yōu)化C3作物的性能。
圖3-在單細(xì)胞分辨率下對(duì)不同作物的細(xì)胞類型注釋
3.單細(xì)胞分辨率下冰葉日中花CAM誘導(dǎo)的葉肉特異性晝夜動(dòng)態(tài)
英文標(biāo)題：Mesophyll-Specific Circadian Dynamics of CAM Induction in the Ice Plant Unveiled by Single-Cell Transcriptomics發(fā)表期刊：bioRxiv
物種樣本：冰葉日中花（Mesembryanthemum crystallinum，兼性CAM植物）
測(cè)序策略：單細(xì)胞核RNA測(cè)序、Iso-Seq全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、基因組組裝
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.01.05.574430
發(fā)布時(shí)間：2024.01.05
取樣策略：
處理?xiàng)l件：鹽脅迫組：5周齡植株經(jīng)0.5M NaCl處理8天；
對(duì)照組：正常灌溉植株；
時(shí)間點(diǎn)：光周期（12h光/12h暗）中采集黎明（Dawn）和黃昏（Dusk）樣本，鹽處理組與對(duì)照組各取2個(gè)時(shí)間點(diǎn)，共4組樣本的葉片；
單細(xì)胞核測(cè)序：共獲取17,994個(gè)高質(zhì)量核，注釋17個(gè)細(xì)胞簇，覆蓋葉肉（海綿/柵欄）、表皮、保衛(wèi)細(xì)胞、木質(zhì)部、韌皮部等
① 景天酸代謝（Crassulacean acid metabolism, CAM）是C3光合作用二氧化碳固定途徑的一個(gè)進(jìn)化改良形式，大約有7%的陸生植物通過(guò)這種方式適應(yīng)干旱環(huán)境?？烧T導(dǎo)型CAM植物，例如冰葉日中花（Mesembryanthemum crystallinum，普通冰草），擁有一種獨(dú)特的能力，能夠在高鹽度和水分不足的脅迫下從C3光合作用切換到CAM光合作用。
② 該研究通過(guò)單核RNA測(cè)序（snRNA-seq），結(jié)合一個(gè)全新高質(zhì)量組裝和注釋的基因組，對(duì)冰草從C3到CAM的環(huán)境誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變進(jìn)行了表征，以識(shí)別其潛在的調(diào)控因子。針對(duì)在黎明和黃昏采集的冰草葉片在C3和CAM切換過(guò)程中單核RNA測(cè)序數(shù)據(jù)的分析，揭示了在CAM誘導(dǎo)初期葉肉細(xì)胞中存在顯著的轉(zhuǎn)錄變化。
③ 值得注意的是，該研究發(fā)現(xiàn)標(biāo)明了黃昏時(shí)參與CAM或C3光合作用的不同葉肉亞細(xì)胞類型。細(xì)胞軌跡推斷分析重建了全天候（24小時(shí)）的CAM和C3周期，直接比較了兩條途徑中的基因表達(dá)譜。這項(xiàng)對(duì)比研究揭示了CAM和C3細(xì)胞軌跡中關(guān)鍵晝夜節(jié)律基因的不同表達(dá)模式，表明晝夜節(jié)律調(diào)控與CAM的誘導(dǎo)之間存在聯(lián)系。
圖4-所有四個(gè)snRNAseq數(shù)據(jù)集的UMAP聚類
4.植物細(xì)胞類型特異性順式調(diào)節(jié)元件的進(jìn)化
英文標(biāo)題：Evolution of plant cell-type-specific?cis-regulatory elements發(fā)表期刊：bioRxiv
物種樣本：核心物種：水稻（Oryza sativa，C3植物）
比較物種：玉米（Zea mays）、高粱（Sorghum bicolor）、黍（Panicum miliaceum）、Urochloa fusca
測(cè)序策略：單細(xì)胞ATAC測(cè)序、空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（Slide-Seq V2）、Iso-Seq全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.01.08.574753
發(fā)布時(shí)間：2024.01.08
取樣策略：
單細(xì)胞ATAC測(cè)序：水稻：葉、根、種子、穗等9個(gè)器官；發(fā)育階段：葉原基（P3-P6）、成熟葉（V4階段）；其他物種：玉米、高粱、黍、Browntop Signalgrass
空間轉(zhuǎn)錄組：水稻根
① Cis調(diào)控元件（Cis-regulatory elements, CREs）在基因表達(dá)調(diào)控中至關(guān)重要，但其進(jìn)化機(jī)制的理解仍然具有挑戰(zhàn)性。
② 該研究構(gòu)建了一個(gè)全面的水稻（Oryza sativa）染色質(zhì)可及性單細(xì)胞圖譜，整合了來(lái)自103,911個(gè)細(xì)胞核、代表126種離散細(xì)胞狀態(tài)的九個(gè)不同器官的數(shù)據(jù)。通過(guò)比較基因組學(xué)，分析了水稻與另外四種禾本科植物（玉米?Zea mays、高粱?Sorghum bicolor、黍?Panicum miliaceum?和?Urochloa fusca）中57,552個(gè)細(xì)胞核的細(xì)胞類型分辨染色質(zhì)可及性之間的差異。
③ 研究發(fā)現(xiàn)，可及染色質(zhì)區(qū)域（Accessible Chromatin Regions, ACRs）的保守性水平因細(xì)胞類型特異性程度的不同而有所區(qū)別。還發(fā)現(xiàn)ACRs、保守的非編碼序列、細(xì)胞類型特異性、保守性和組織特異性切換之間存在復(fù)雜關(guān)系。此外，該研究發(fā)現(xiàn)表皮ACRs相比于其他細(xì)胞類型的ACRs保守性較低，這可能表明這些物種的L1來(lái)源的表皮層經(jīng)歷了更快速的調(diào)控進(jìn)化。最后，研究人員鑒定并表征了一組與抑制性組蛋白修飾H3K27me3重疊的保守ACRs，這表明它們可能是由進(jìn)化保留下來(lái)的類沉默子CREs。
④ 總體而言，這種比較基因組學(xué)方法揭示了植物細(xì)胞類型特異性CRE進(jìn)化的動(dòng)態(tài)特征。
圖5-利用scATAC-seq數(shù)據(jù)鑒定水稻的細(xì)胞類型和表征ACRs
5.玉米葉原基單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜揭示Kranz解剖結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)制
英文標(biāo)題：Single-cell?resolved?differentiation?of?pre-Kranz?anatomy?in?maize?leaf?primordia發(fā)表期刊：bioRxiv
物種樣本：玉米（Zea mays?B73）、水稻（Oryza sativa Nipponbare）
測(cè)序策略：單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組、bulk-RNA seq
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.07.10.602848
發(fā)布時(shí)間：2024.07.14
取樣策略：
從玉米葉原基：P3-P6原基分段取樣（M3tip、M3middle、M3base；M2top、M2base）、3-4 mm P4原基單細(xì)胞核分離；水稻葉片原基：5 mm原基分段取樣（R3tip、R3middle、R3base）
① 典型的C4植物如玉米，具有高度優(yōu)化的Kranz型葉片結(jié)構(gòu)，其中特定的花環(huán)狀結(jié)構(gòu)由圍繞葉脈緊密排列的葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞組成。
② 該研究區(qū)分了早期葉原基中維管發(fā)育的活躍區(qū)域，并通過(guò)分段的玉米和水稻葉原基的比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，識(shí)別出可能參與早期Kranz發(fā)育的基因群。利用單細(xì)胞核RNA測(cè)序（snRNA-seq），進(jìn)一步探討了單個(gè)玉米葉原基中的細(xì)胞異質(zhì)性和發(fā)育軌跡。借助原位雜交技術(shù)，識(shí)別了mGM和原形成層的細(xì)胞簇，候選標(biāo)記基因顯示出不同但相互關(guān)聯(lián)的表達(dá)模式。維管標(biāo)記基因ZmSHR1的定位先于ZmEREB161和ZmEREB114，這兩者在原形成層的起始階段表達(dá)。
③ 該研究描繪了從發(fā)展中的玉米原基尖端向下的潛在維管束鞘細(xì)胞亞群和不同層次的葉肉細(xì)胞。
④ 綜上所述，該研究識(shí)別出潛在源自mGM或定位于原形成層的Kranz調(diào)控因子，并提供了在亞原基和單細(xì)胞分辨率下研究玉米和水稻葉脈發(fā)育的資源。
圖6-玉米P4葉原基的細(xì)胞異質(zhì)性
6.C4草本植物Kranz解剖結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中預(yù)存調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的重編程
英文標(biāo)題：Comparative spatiotemporal single cell transcriptomes reveal rewiring of pre-existing regulations during emergence of Kranz anatomy in C4?grasses發(fā)表期刊：bioRxiv
物種樣本：玉米（Zea mays）、高粱（Sorghum bicolor）、狗尾草（Setaria viridis）、水稻（Oryza sativa）
測(cè)序策略：單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組、高分辨率空間轉(zhuǎn)錄組
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.10.28.620769
發(fā)布時(shí)間：2024.10.28
取樣策略：
單細(xì)胞核&空間轉(zhuǎn)錄組：12日齡玉米幼苗基部莖段葉原基（P3-P6），通過(guò)Cellpose 2.0識(shí)別細(xì)胞壁輪廓，提取14,037個(gè)空間單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組
① 世界上許多高產(chǎn)的糧食作物和生物能源作物都采用C4光合作用，這種光合作用通過(guò)基于Kranz解剖結(jié)構(gòu)的CO2濃縮機(jī)制實(shí)現(xiàn)了高光合效率。
② 該研究通過(guò)比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)的方法，結(jié)合玉米（Zea mays）葉原基的單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，以及三種C4植物（玉米、高粱、狗尾草）和一種C3植物（水稻）對(duì)應(yīng)葉組織的單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）圖譜，研究了Kranz解剖結(jié)構(gòu)發(fā)育和演化過(guò)程中涉及的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
③ 研究表明，Kranz解剖結(jié)構(gòu)的形成涉及對(duì)現(xiàn)有調(diào)控模塊的廣泛招募和改造，特別是SHR-SCR模塊和生長(zhǎng)素信號(hào)通路。研究還發(fā)現(xiàn)，INDETERMINATE DOMAIN（IDD）家族轉(zhuǎn)錄因子（如IDD7和IDDP1）在這些模塊的改造中發(fā)揮了重要作用。這種對(duì)現(xiàn)有基因調(diào)控程序的廣泛招募和改造，是C4光合作用在演化過(guò)程中反復(fù)出現(xiàn)的基礎(chǔ)機(jī)制。
圖7-玉米葉原基的空間轉(zhuǎn)錄組研究
7.C3-C4中間型十字花科植物維管束鞘細(xì)胞在光呼吸穿梭中的功能
英文標(biāo)題：Single-nuclei sequencing of Moricandia arvensis reveals bundle sheath cell function in the photorespiratory shuttle of?C3-C4?intermediate Brassicaceae發(fā)表期刊：bioRxiv
物種樣本：C3-C4?中間型植物：堇娘芥（Moricandia arvensis）
測(cè)序策略：單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.12.02.626447
發(fā)布時(shí)間：2024.12.02
取樣策略：
單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組：取5-6葉期堇娘芥幼苗的第五、第六葉片（距地面5mm處）
公共數(shù)據(jù)：擬南芥葉片單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)
幼年期：0、1、2、3、4周；成年期：6、8、12周；老年期：6月、1年、2年。
① 基因表達(dá)的空間限制決定了細(xì)胞身份，并且是復(fù)雜植物性狀的基礎(chǔ)。在從C3光合作用向更高效的C4光合作用的進(jìn)化過(guò)程中，將甘氨酸脫羧酶反應(yīng)限制在維管束鞘細(xì)胞內(nèi)，通過(guò)光呼吸甘氨酸穿梭啟動(dòng)了碳濃縮機(jī)制。通常認(rèn)為，這一進(jìn)化步驟在從祖先的C3光合作用向C4光合作用的過(guò)渡中起到了重要作用。執(zhí)行這一穿梭機(jī)制的植物通常被稱為C3-C4中間型植物或C2植物。在十字花科（Brassicaceae）家族中，這類植物至少獨(dú)立進(jìn)化了五次。然而，關(guān)于十字花科C3-C4中間型植物的生物化學(xué)研究?jī)H限于少數(shù)關(guān)于葉肉細(xì)胞與維管束鞘細(xì)胞之間差異定位蛋白的案例研究。
② 該研究利用最近在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序方面的進(jìn)展，更好地理解新的細(xì)胞特化如何影響相互關(guān)聯(lián)的途徑。研究人員為具有C3-C4中間特征的堇娘芥（Moricandia arvensis）生成了單細(xì)胞核RNA測(cè)序數(shù)據(jù)集，并將其與公開可用的C3擬南芥（Arabidopsis thaliana）葉組織的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了比較，還通過(guò)免疫金標(biāo)記技術(shù)結(jié)合電子顯微鏡獨(dú)立驗(yàn)證了選定光呼吸蛋白的定位。
③ 該研究分析揭示了與光呼吸甘氨酸脫羧酶反應(yīng)直接相關(guān)的基因表達(dá)的變化，同時(shí)也包括相關(guān)途徑的基因表達(dá)轉(zhuǎn)移，例如銨的同化、特定氨基酸的合成、氧化還原調(diào)節(jié)和對(duì)M. arvensis維管束鞘的轉(zhuǎn)運(yùn)。相比之下，在C4植物中，這些基因的表達(dá)并未局限于這一細(xì)胞類型。
圖8-堇娘芥葉片單細(xì)胞圖譜
根據(jù)上述文獻(xiàn)，可以總結(jié)出應(yīng)用時(shí)空組學(xué)解析植物光合作用機(jī)制常用思路的技術(shù)路線圖。
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