木棉是一种高达40米的高大落叶乔木，广泛分布于热带和亚热带地区，具有重要的药用、经济和生态效益。木棉纤维具有轻薄、柔软等特性，是纺织工业中新型天然纤维的重要来源。关于木棉纤维的物理性质已经有了深入的研究，但是对于木棉纤维的发育过程仍不清晰。

在单细胞水平上研究复杂的植物生物学过程一直是一个活跃的科研领域，海南大学热带作物学院在 Plant Communications 上发表了论文《Single-cell RNA landscape of the special fiber initiation process in Bombax ceiba 》，通过木棉单细胞图谱研究以及木棉与棉花单细胞数据的跨物种综合分析，系统地回答了上述问题。scRNA-seq技术已广泛用于模式植物和非模式植物，基迪奥单细胞产品助力老师研究发文。

  • 发表期刊：PLANT COMMUNICATIONS

  • 影响因子：8.625

  • 合作单位：海南大学

木棉纤维发生过程观察

研究观察了从花蕾到蒴果成熟的过程，发现在开花后第8天，子房内壁细胞开始分化为纤维发生细胞，并随着蒴果的发育，纤维细胞数量不断增加。在开花后第11天时，观察到大量的子房内壁细胞完成了分裂与分化，收集此时的子房内壁组织制备原生质体并测序。

图1 木棉花蕾到蒴果成熟的观察

细胞图谱的绘制

在经过对测序数据质量控制之后，获得了15567个高质量细胞数据，经分析得到了10类不同的细胞群。为了确定与木棉纤维发生相关的细胞类型，通过对纤维发生细胞和内壁表皮细胞的标记基因进行注释，鉴定了cluster 3为内壁表皮细胞，cluster 6为纤维发生细胞。并通过使用代表基因的RNA原位杂交实验证实了细胞鉴定的准确性。

图2 木棉蒴果子房内壁细胞图谱与验证

木棉纤维发生的相关基因研究

为了鉴定与木棉纤维发生相关的特殊标记基因，从纤维发生细胞中筛选出347个特异表达基因(SEG)。其中包括6个高表达的代表性基因： SCL28，WPRB，AGP1，PIP2-8，RAD50 和 AUR1 。UMAP图查看与RNA原为杂交实验证实基因的表达模式是正确的。随后对347个SEG进行GO、KEGG富集分析，发现主要富集在RNA修饰、核糖核蛋白复合体生物合成、核糖体途径，这与先前研究所观察到的表皮细胞细胞核显著增大，并分化为纤维发生细胞的现象一致。

图3 SEG查看、验证及富集分析

拟时分化发育研究

scRNA-seq具有捕获处于不同发育状态细胞的能力，可以用于细胞发育过程中的连续分化研究。为了进一步探索纤维发生细胞的发育过程，使用子房内壁表皮细胞和纤维发生细胞进行了拟时间轨迹分析。发现分化轨迹分为两支，分支1为表皮细胞，分支2为纤维发生细胞。为了进一步确定细胞类型，在轨迹上查看了表皮细胞的标记基因HIC与纤维发生细胞的标记基因PDF1，结果也与上述一致，表明拟时分析基本上显示了纤维发生细胞的发育。此外，研究者对表皮细胞向纤维发生细胞分化的SEG进行分析，发现了10个在分化过程中表达量差异较大的基因，这些基因很可能在分化过程中起到重要作用。

为了更好地研究基因表达的差异，研究者使用热图展示了所有SEG的表达情况，发现根据基因的表达方式可以把基因分为5个模块。GO分析表明不同模块的基因在特定的生物学过程中得到了富集，这说明了基因表达的严格时空调控决定了木棉表皮细胞的分化方向。纤维发生受到多个TF的调控，研究者对表皮细胞与纤维发生细胞的特异表达TF进行鉴定，最终确定了528个TF，这些TF与细胞分裂、纤维发育密切相关。

图4 拟时分化分析与TF网络图

木棉与棉花在纤维发生的异同

棉花纤维起源于胚珠的表皮细胞，而木棉纤维起源于子房内壁的表皮。为了探讨棉花纤维发生细胞与木棉纤维发生细胞进化的保守性与差异，使用了棉花纤维发生细胞的单细胞转录组数据与木棉数据进行综合分析，发现棉花与木棉纤维发生相关的同源基因有277个，其中74个为棉花与木棉共有。各自的特有SEG用于GO富集分析表明大部分的SEG具有相同的生物学进程，只有木棉的部分SEG在细胞分裂富集，这表明棉花和木棉的纤维发生机制是相似的。因此，研究者进一步对木棉的细胞分裂进行研究，发现主要参与细胞分裂的SEG有 CYCB2-1、CYCB1-2、CDKB 2-2、MYB88、SCL28 ，由于在上述TF分析中 SCL28 处于网络的中心，表明 SCL28 可能在木棉纤维发生细胞形成过程中发挥重要作用。

为了在基因组水平上分析木棉与棉花纤维发生细胞的差异，对纤维发生基因家族的扩张收缩以及关键调控因子在单细胞水平的表达差异进行了分析。结果表明大多数基因在棉花中扩张，而木棉的细胞分裂相关基因表达水平更高，与木棉和棉花纤维发生细胞分化的差异相一致。此外，研究者进行了RNA原位杂交验证，表明了参与细胞分裂的基因在启动的纤维细胞中高表达。

与棉花纤维发生细胞发育过程类似，木棉纤维发生细胞发育包括起始、伸长和成熟三个阶段，值得注意的是木棉额外经历了细胞分裂的过程。结合此研究结果，研究者认为木棉特异表达的转录因子 GEBPL、HOX3、MYB106、SLR1 可能参与了起始过程。此外，微管相关蛋白MAP65-1、DRP1A、TPX2、KIN12E可能参与到分裂过程，一旦纤维起始过程完成，纤维细胞将进入伸长阶段。

小结

研究通过观察记录了木棉从花蕾到蒴果成熟的过程，并挑选了纤维发生细胞完成分化时的蒴果子房内壁组织进行单细胞转录组研究，成功绘制了木棉的单细胞图谱，并鉴定了子房内壁表皮细胞与纤维发生细胞。通过与棉花单细胞数据的综合分析找到了木棉与棉花纤维形成相关基因的异同，为植物纤维的形成研究提供了重要的参考。

参考文献

*未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本篇文章之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。

基迪奥生物|专业定制测序服务

联系方式：020-39341079；service@genedenovo.com返回搜狐，查看更多

责任编辑：