在植物的生长发育过程中，分化使细胞与细胞之间产生异质性，在此过程中，细胞中基因的表达也会产生一定的差异，过往的测序研究手段只能应用于特定的完整组织块，从而会遮盖不同种细胞间基因的差异性。在植物研究领域中，2016年科学家首次分离出拟南芥单个根细胞，将植物基因的研究精度定位到单个细胞层面。随着技术的不断发展，单细胞技术已经可以自动化识别不同的细胞，并高通量检测这些细胞中的基因。在基因研究真正地进入高通量单细胞水平之时，运用此技术对植物组织展开更加精细的研究是急不可待的。

欧易生物自2018年开始提供单细胞转录组服务，2020年，欧易生物服务的客户在植物科学领域顶尖期刊Molecular Plant（IF: 27.5）发表了单细胞转录组技术应用于拟南芥的文章，题为“Global Dynamic Molecular Profiles of Stomatal Lineage Cell Development by Single-Cell RNA Sequencing”，是国内第一篇科服公司助力在植物领域发表的高通量单细胞转录组测序文章。这篇文章首次运用单细胞转录组技术解析了拟南芥气孔谱系细胞发育进程中的转录组动态模式。

此后，欧易生物在单细胞转录组、空间转录组及空间代谢组等时空多组学技术上继续发力，截止到2024年3月17日，欧易生物服务的客户已发表258篇时空多组学文章，其中植物样本有13篇。实验过的组织部位有根、茎、茎基部、叶、根尖、花苞、花药、果实、果肉、种子等……

那么，欧易生物连续斩获13篇植物时空多组学的奥秘是？

这13篇植物文章提示我们，单细胞时空多组学可以应用在怎样的研究领域呢？

英文标题：Single-cell transcriptomic analysis reveals the developmental trajectory and transcriptional regulatory networks of pigment glands in Gossypium bickii

中文标题：单细胞转录组学分析揭示了比克氏棉色素腺的发育轨迹和转录调控网络（点此查看本篇解读详情)

发表杂志：Molecular Plant

影响因子：27.5

发表时间：2023年2月

合作单位：浙江大学

研究材料：比克氏棉（Gossypium bickii）子叶

欧易提供的技术服务：10x Genomics单细胞转录组测序

棉花（Gossypium. spp）是重要的经济作物，棉籽中含有丰富的油分及蛋白质。色素腺体是棉属特有的防御结构，其主要内含物棉酚在棉花病虫害抗性中起重要作用，但因其对人类和反刍动物的毒性，限制了棉籽资源的利用。比克氏棉（Gossypium bickii）等澳洲野生棉种具有优良的“子叶色素腺体延缓形成形状”性状，种子无色素腺体低棉酚，有利于充分利用棉籽资源；植株有色素腺体有棉酚，有助于保持植株对病虫害的抗性，具有重要的育种价值。探究色素腺体形态发生的生物学过程及其潜在分子机制，对培育种子无色素腺体而植株有色素腺体的新型低酚栽培棉种至关重要。

本研究利用萌发48小时G. bickii子叶（色素腺体形态发生的活跃阶段）作为样本制备原生质体，进行了单细胞转录组测序（scRNA-seq）。进而采用无监督聚类将细胞分成14个类群，通过已知细胞marker基因分为8个细胞类型。聚类结果证实色素腺体细胞与其他细胞分离明显，进一步通过细胞亚群分为色素腺体薄壁细胞、分泌细胞和凋亡细胞。结合单细胞表达图谱信息，并整合色素腺体细胞发育轨迹、转录因子调控网络、核心转录因子功能验证，构建出相对完整的色素腺体形态建成模型，并证实光和赤霉素可促进色素腺体的形成。此外，本文挖掘了3个影响色素腺体形成的基因GbiERF114、GbiZAT11和GbiNTL9。这些发现揭示了棉花色素腺体形态发生生物学过程以及调控色素腺体性状的分子机制。

图1 棉花子叶单细胞转录组图谱的构建

图2 色素腺细胞的发育轨迹

英文标题：Global dynamic molecular profiles of stomatal lineage cell development by single-cell RNA sequencing

中文标题：单细胞转录组学测序技术研究气孔系细胞发育的全局动态分子图谱（点击查看本篇解读详情）

发表杂志：Molecular Plant

影响因子：27.5

发表时间：2020年6月

合作单位：河南大学

研究材料：拟南芥幼苗子叶

欧易提供的技术服务：10x Genomics单细胞转录组测序

气孔是由成对的保卫细胞形成的，在植物对陆地的定殖过程中起着至关重要的作用。植物气孔参与调节蒸腾作用以及与环境之间的气体交换。气孔谱系细胞的命运决定是可追踪的，不可逆的，并产生特异的分化细胞类型。因此气孔发育是人们在单细胞水平上研究多种命运特异性遗传程序的相互作用以及外部环境因素对不同细胞类型命运决定的影响的优异模型。尽管气孔谱系细胞发育的调控机制已被广泛研究，但基于单细胞转录组分析对这一生物学过程的全面解析尚未报道。

对来自5天大的拟南芥幼苗子叶的12844个个体细胞进行单细胞转录组测序。使用一系列marker基因鉴定了11个细胞簇，这些细胞簇主要对应于特定气孔发育阶段的细胞。对这些细胞簇中可变表达最高的基因的比较分析揭示了调节分生组织样母细胞到保护母细胞发育的转录网络。通过拟时序分析对marker基因的发育动力学进行检查，揭示了这些基因之间的潜在相互作用。此研究为理解已鉴定的新标记基因如何参与气孔谱系细胞发育的调控打开了大门。

图1 使用marker基因进行细胞类型鉴定

图2 细胞分群和marker基因的拟时序分析

英文标题：Combining single-cell RNA sequencing with spatial transcriptome analysis reveals dynamic molecular maps of cambium differentiation in the primary and secondary growth of trees

中文标题：单细胞转录组测序与空间转录组分析相结合揭示了树木初级和次级生长形成层分化的动态分子图谱（点击查看本篇解读详情）

发表杂志：Plant Communications

影响因子：10.5

发表时间：2023年7月

合作单位：中国科学院国家植物分子植物科学中心

研究材料：欧洲山杨变种“Nanlin895”茎尖第1至第3个节间的初生生长组织、第5至第10个节的次生生长组织

欧易提供的技术服务：10x Genomics单细胞转录组测序和10x Visium空间转录组测序

虽然初级生长和次生生长的形成层具有相同的生物特性，但在次生生长过程中，导管束形成层的细胞分裂和分化与顶端分生组织的细胞分裂和分化不同。次生木质部通常被称为木材，是同化大部分光合作用碳产物的关键库，这些碳产物是可再生的，也是人类所需的。因此，了解木材的形成引起了人们的极大关注，因为木材对于碳储存和可持续绿色材料的生产至关重要。然而，由于技术上难以监测树木茎干生长过程中细胞水平的分子活动，对木材形成的研究主要集中在组织水平的转录活动和反向遗传学方面。树木次生生长过程中的转录活动如何能在细胞水平上动态、有序地解析，还有待观察。

在这项研究中，作者通过构建杨树茎初生组织（PGT）和次生组织（SGT）细胞图谱的方式，来研究这些组织在细胞识别和分化的异同之处，并比较它们的细胞图谱和分化轨迹可以交叉验证细胞群的识别和细胞的发育。此外，单细胞转录组分析和空间转录组信息的结合也有助于验证细胞图谱和空间分化。这种综合方法的结果为树干生长的细胞图谱和分化提供了新的见解。

图1 初生和次生生长茎细胞簇的鉴定

图2 基于空间转录组学的杨树茎细胞组织重建

图3 初级生长组织和次级生长组织形成层向木质部和韧皮部前体分化的轨迹

英文标题：Visualized analysis of amino acids and organic acids in wheat caryopsis in response to multigenerational effects of elevated atmospheric CO2 concentration

中文标题：大气CO2浓度升高对小麦颖果中氨基酸和有机酸多代效应的响应可视化分析（点击查看本篇解读详情）

发表杂志：Environmental and Experimental Botany

影响因子/JCR分区：5.7/Q1

发表时间：2023年1月

合作单位：中国科学院东北地理与农业生态研究所

研究材料：小麦颖果

欧易提供的技术服务：AFADESI-MSI空间代谢组学

二氧化碳浓度逐渐升高，对单一世代的植物如小麦、水稻等产生影响，如促进根系发育、增加叶面积、改变叶片形态、提高光合作用速率、减少水分流失、降低氮浓度和调节微生物群落组成。这种影响被称为e[CO2]，正常CO2浓度在研究中被称为a[CO2]，但e[CO2]在多代作物上的影响的深入理解是有限的，目前的研究发现，e[CO2]在进化变化中起着至关重要的作用。

e[CO2]对谷物产量和质量的影响并不总是同步的，基本机制仍然不清楚。有研究表明，二氧化碳增加后，小麦等C3植物的微量成分如N、Fe等水平下降，这可能是由于二氧化碳增加导致植物合成碳水化合物增加，也就是“碳水化合物稀释”。

在连续的e[CO2]下生长的四代后，小麦的总氨基酸浓度下降，从而影响人类健康。质谱成像（Mass spectrometry imaging，MSI）有助于研究植物发育过程中复杂的代谢网络，它可以为进一步分析小麦颖果中的代谢物谱提供具体线索，特别是必需氨基酸。因此，本研究采用AFADESI空间代谢组技术对此展开研究。

为了确定e[CO2]暴露诱发的代谢重编程，在连续进行第七代CO2处理后，对小麦的胚芽和胚乳进行了原位代谢物的研究策略，共鉴定了161种不同的代谢物。a[CO2]组中，差异代谢物类别有25种，如唑类、羧酸及其衍生物、生物碱及其衍生物等。e[CO2]组中有43个，这些差异代谢物有20种，如唑类、羧酸及其衍生物、苯和取代的衍生物等。

使用AFADESI对暴露在多代e[CO2]下的小麦颖果的代谢物分布展开研究，并发现氨基酸和有机酸的分布存在组间（e[CO2]和a[CO2]）和组内（胚芽和胚乳）的差异。

图1 氨基酸在胚芽和胚乳中的分布

图2 氨基酸在胚芽和胚乳中的分布比较