Nature Plants丨烈冰單細胞測序助力揭示愈傷組織能再生器官的機制

烈冰生物植物單細胞測序新突破?。?！

烈冰客戶再發(fā)力，Nature Plants植物科學(xué)頂刊發(fā)文，揭示了愈傷組織能再生器官的秘密！

2021年11月15日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心徐麟研究組于Nature Plants（IF=15.793）雜志發(fā)表封面文章“Pluripotency acquisition in the middle cell layer of callus is required for organ regeneration”，翟寧為論文第一作者，研究從單細胞和分子層面揭示了愈傷組織具有器官再生能力的機制。

烈冰生物參與了本次植物單細胞測序工作，馬上跟隨小編一起來看看這篇文章的研究思路和結(jié)果分析吧！

實驗設(shè)計

樣本信息：擬南芥野生型Col-0、擬南芥雙突變體（wox5-1 wox7-1和plt1-21 plt2-21）誘導(dǎo)產(chǎn)生的愈傷組織

技術(shù)手段：單細胞轉(zhuǎn)錄組測序、轉(zhuǎn)錄組測序、RT-PCR、免疫共沉淀、酵母雙雜交、細胞譜系追蹤、生長實驗

單細胞捕獲平臺：BD Rhapsody

實驗結(jié)果

01 愈傷組織單細胞轉(zhuǎn)錄組分析

作者對擬南芥下胚軸（Col-0）外植體誘導(dǎo)產(chǎn)生的愈傷組織進行了單細胞測序，獲得了10個細胞簇，愈傷組織大致分為三個細胞層，通過Marker gene鑒定發(fā)現(xiàn)，外層細胞（細胞簇0和1）特異性表達表皮和根冠的marker基因（PDF1、ATML1和PIN2等）；中層細胞（細胞簇2）具有根尖靜止中心（QC）的特征（特異性表達PLT1、PLT2和WOX5等基因），擬時序分析也發(fā)現(xiàn)中層細胞可向外層和內(nèi)層細胞演化；而內(nèi)層細胞（細胞簇3、4、5）特異性表達TMO5、SMXL3等基因，類似于根尖的維管初始細胞。

利用特征基因表達模式和細胞譜系追蹤等方法，作者發(fā)現(xiàn)基因WOX5和PLT1在中層細胞中特異性表達，能在生芽培養(yǎng)基（SIM）上培養(yǎng)出不定芽的細胞，而在根尖分生組織形成過程中，WOX5的表達逐漸從中間細胞層限制到干細胞生態(tài)位表達，說明愈傷組織中層細胞不僅與QC有著高度類似的轉(zhuǎn)錄組特征，也是根和芽再生的源頭干細胞。

02 WOX5在愈傷組織中層細胞中的作用

利用酵母雙雜交、免疫共沉淀等技術(shù)，作者發(fā)現(xiàn)WOX5可直接與基因PLT1/2相互作用。相較于野生型Col-0，兩種雙突變體樣本的生芽和生根的能力顯著降低，TAA1（內(nèi)源生長素合成基因）可與WOX5和PLT1在細胞中共表達，但表達下調(diào)。RNA-seq、RT-qPCR、ChIP–seq等多技術(shù)聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，器官再生需要WOX5-PLT1/2蛋白復(fù)合體激活TAA1的表達，以促進生長素的積累。

03 WOX5/7在調(diào)節(jié)愈傷組織細胞分裂素中的作用

進一步的，作者還發(fā)現(xiàn)WOX5/7可以直接和ARR12結(jié)合形成復(fù)合體，抑制ARR5的表達，從而解除細胞分裂素的負反饋信號通路，促進細胞分裂素反應(yīng)。

04 愈傷組織中層細胞模型構(gòu)建

最后作者構(gòu)建了愈傷組織多能性機制的模型。在分子層面，WOX5/7可能至少通過兩種途徑促進再生：（1）WOX5/7與PLT1/2相互作用，激活內(nèi)源??素合成基因TAA1 的表達，以維持高生長素水平；（2）WOX5/7與ARR12相互作用并抑制ARR5的表達，通過解除細胞分裂素信號傳導(dǎo)中的負反饋機制，達到細胞分裂素超敏感狀態(tài)。

05 結(jié)論

總的來說，愈傷組織中層細胞通過促進??素的產(chǎn)?和提?細胞分裂素的敏感性獲得多能性，從?促進器官再?。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41477-021-01015-8

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