20190919 Developmental Cell

Spatiotemporal Developmental Trajectories in the Arabidopsis Root Revealed Using High-Throughput Single-Cell RNA Sequencing

Tom Denyer, Xiaoli Ma, Simon Klesen, Emanuele Scacchi, Kay Nieselt, Marja C.P. Timmermans

Summary

High-throughput single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) is becoming a cornerstone of developmental research, providing unprecedented power in understanding dynamic processes. Here, we present a high-resolution scRNA-seq expression atlas of the Arabidopsis root composed of thousands of independently profiled cells. This atlas provides detailed spatiotemporal information, identifying defining expression features for all major cell types, including the scarce cells of the quiescent center. These reveal key developmental regulators and downstream genes that translate cell fate into distinctive cell shapes and functions. Developmental trajectories derived from pseudotime analysis depict a finely resolved cascade of cell progressions from the niche through differentiation that are supported by mirroring expression waves of highly interconnected transcription factors. This study demonstrates the power of applying scRNA-seq to plants and provides an unparalleled spatiotemporal perspective of root cell differentiation.

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利用高通量單細胞RNA定序方式來解析阿拉伯介根在時間與空間上發展的軌跡

摘要

單細RNA胞定序近年來在生物學上已漸漸成為主流研究方法，此方法在研究動態發展的生物程序上，可達到前所未有的效用。在此，我們發表利用高解析度單細胞RNA定序方式，來分析並編譜由數千細胞所組成的阿拉伯芥根的基因表現圖譜。這個表現圖譜精細地提供了各細胞在時間空間上基因表現的資訊，並且能辨認出各個主要細胞種類的基因表現特徵，包含最稀有的靜默中心細胞。這些特徵顯示了主要發育上的調節因子以及其下游所調控、可轉化細胞成為特定型態及功能的基因。利用虛擬時間軸的分析，我們可詳細描繪出從幹細胞區域到分化發展的一系列軌跡，而這個發展軌跡也經由反映了高度相關轉錄因子的連動表現而得到佐證。這個研究展示了利用單細胞基因RNA定序分析在植物研究上的效用，並且提供了植物根部細胞分化在時間空間上無可比擬的資訊。

個人心得：

近年來由於次世代定序方式的進步，價格的降低與定序能力的進步，整個基因體解碼或是大量的RNA定序已經不再是研究的門檻，使得許多研究得以進入了高精密與高時間空間解析度的新時代。這篇研究代表了在植物學領域的一大推進，而這篇文章背後所提供的資訊，除了作者們所分析的一系列分化的進程之外，最令人感到有潛力的問題就是，為什麼植物的幹細胞會是幹細胞，這些細胞是怎麼被調控的？一直以來，都認為植物的幹細胞跟動物的幹細胞有同樣的方式，有所謂的主宰因子，而經由不對稱分裂出來的細胞，其中離中心較遠的細胞，就會不表現主宰因子而走向分化。但是，一直以來，我們都發現很多基因的表現似乎是“漸層式”，就是在越靠近幹細胞中心的表現越高（或越低），但是都不是黑白分明的在一個細胞有表現，另一個細胞就沒有。這是否意味著，有可能這所謂的“幹細胞”是一種逐漸流失的能力？ 利用此篇（與其他近期的文章）所得到的資訊，是否有可能在這方面有所突破，將是未來一大有趣的觀察重點。

原文連結：

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(19)30145-5