高等植物個體由單個受精卵通過細胞分裂和分化而來。數量眾多、功能多樣的細胞組成了一套復雜而精密的調控系統。直徑大小不足100 μm的莖尖分生組織（shoot apical meristem）具有細胞多能性，它是所有植物地上部分組織和器官的來源，維持植物的“無限生長”。莖尖分生組織干細胞如何通過特定的分裂與分化軌跡發育成為不同的組織和器官

高等植物個體由單個受精卵通過細胞分裂和分化而來。數量眾多、功能多樣的細胞組成了一套復雜而精密的調控系統。直徑大小不足100 μm的莖尖分生組織（shoot apical meristem）具有細胞多能性，它是所有植物地上部分組織和器官的來源，維持植物的“無限生長”。莖尖分生組織干細胞如何通過特定的分裂與分化軌跡發育成為不同的組織和器官是植物發育生物學的核心科學問題之一。

中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員王佳偉課題組在Developmental Cell上，在線發表題為A single-cell analysis of the Arabidopsis vegetative shoot apex的研究論文。該研究在單細胞水平揭示了擬南芥莖尖細胞的異質性（heterogeneity），通過轉錄組差異性分析重構了完整的植物細胞周期圖譜，并刻畫了莖尖干細胞分化成為不同細胞類型的動態連續過程。

盡管單細胞RNA測序技術（scRNA-seq）正日益廣泛地應用在植物科學研究中，但由于莖尖分生組織體積小、深埋于莖尖、細胞解離難度大，在單細胞水平揭示其異質性和復雜性仍存在技術難度。通過不斷嘗試、優化調整及莖尖組織的精準分離，研究人員獲得36643個高質量擬南芥營養期莖尖（vegetative shoot apex）和葉片組織單細胞轉錄組數據。通過原位雜交和標記基因分析，將這些細胞分別注釋為葉肉細胞、莖尖分生組織細胞、表皮細胞、保衛細胞、韌皮部細胞、木質部細胞、伴胞細胞和莖尖內皮層細胞等23個細胞簇（cell cluster）。這些細胞簇分屬于7個細胞類群（cell population），其中，表皮細胞類群由莖尖分生組織L1層細胞發育而來，葉肉細胞和維管束細胞類群分別來源于分生組織的L2和L3層細胞。

通過細胞亞聚類分析，研究人員發現每個細胞類群中分屬G0/G1、S、G2和M期的細胞可組成一個完整的細胞周期環，展現出細胞周期進程的連續性（continuum）。通過重排過渡態細胞（transit-amplifying cells）和擬時間（pseudotime）分析，進一步重構出氣孔細胞、韌皮部篩管細胞、木質部導管細胞的精細發育軌跡圖，找到了細胞命運轉變過程中的中間態細胞，并描繪了相關的轉錄調控網絡。在此基礎上，研究人員結合反向遺傳學，鑒定出幾個參與重力反應和木質部發育的新基因。

此外，該研究還深入考察了莖尖分生組織干細胞類群的異質性。通過對細胞多能性轉錄因子STM陽性細胞（STM+ cell）的聚類分析，研究人員發現由多能性干細胞向表皮、葉肉或維管束的分化是一個連續漸變的過程。一些早期干細胞同時表達STM和葉片/維管束屬性基因。通過整合分析莖尖、葉片和根尖單細胞轉錄組數據集，研究人員構建了第一張擬南芥單細胞全景模式圖，發現地上和地下部分在表皮細胞和維管束分化中既存在相似性又具有不同的發育特征。

綜上，上述研究成果將植物莖尖分生組織的研究由傳統的組織器官水平提升到單細胞水平，相關單細胞轉錄組數據庫的建立有利于檢索基因表達模式、深入挖掘參與植物細胞分裂和分化的基因；該研究建立的分析流程和研究策略為單細胞轉錄組測序技術在作物中的應用提供了借鑒。(世聯博研(Bioexcellence)世聯博研Bioexcellence）

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