文献分享|单细胞转录组图谱揭示拟南芥愈伤组织诱导过程中早期细胞命运转变轨迹

文章题为"A single-cell transcriptome atlas reveals the trajectory of early cell fate transition during callus induction in Arabidopsis"。该文章发表于 Plant Communications（中科院一区，IF=9.4，第一作者：Ruilian Yin，通讯作者：Xun Xu）。

文献内容简介

本研究通过单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术，深入分析了拟南芥根组织在不同培养时间（CIM0、CIM1 和 CIM4）下的细胞状态变化。研究发现，CIM0 时期的细胞主要维持根细胞特性，而 CIM1 时期则出现了具有干细胞活性的血管样细胞，CIM4 时期则涌现出具有多能性的 LRPI-like 和 QC-like 细胞。这些细胞群在愈伤组织形成的初期展现出显著的细胞异质性和快速的细胞命运转换。研究进一步揭示，伤口响应基因和生长素转运调控基因在 CIM0 时期特异性富集，而调控干细胞特性和早期胚胎命运的基因在 CIM1 时期富集，调控分生组织特性和生长素的基因在 CIM4 时期富集。这些发现不仅揭示了 LRPI-like 和 QC-like 细胞在愈伤组织形成中的关键作用，还为理解愈伤组织形成过程中的细胞类型和调控因子提供了重要的单细胞转录组图谱。

由于 CIM 诱导形成的愈伤组织与侧根形成共享初始发育程序，研究识别出一种与侧根起始相关的新细胞类型——LRPI-like 细胞。通过 Monocle 3 的伪时间分析，构建了细胞发育轨迹，展示了根身份细胞如何逐步发展成多能性愈伤细胞，以及 LRPI-like 细胞在这一过程中的参与情况。分析显示，CIM0 和 CIM4 的细胞类型分别被设定为发育过程的初始和终端阶段，而 CIM1 的细胞类型则处于中间阶段。在细胞类型层面，发现 XPP 是初始细胞类型，并作为 CIM0 和 CIM1 细胞之间的连接点。此外，LRPI-like 细胞在发育轨迹中跟随血管起始样（VI-like）细胞和柱头样细胞，表明其在愈伤组织形成中扮演中间细胞状态的角色。研究还观察到 LRPI-like 细胞在 CIM1 和 CIM4 细胞之间形成连接节点，并具有发展成 CIM4 其他细胞类型的潜力。通过对 LRPI-like 细胞的基因表达模式进行分析，揭示了 17 个基因模块，其中模块 17 特异性地富集于 LRPI-like 细胞。进一步的 GO 富集分析显示，这些基因涉及角质层发育、脂质转运、脂肪酸衍生物代谢过程、蜡生物合成过程以及超长链脂肪酸（VLCFA）代谢过程。研究还发现，编码 3-酮酰基-CoA 合酶家族成员的 KCS6 和 KCS10 基因在 LRPI-like 细胞中显著表达，同时编码脂质转运蛋白 LTP1 和 LTP2 的基因也在 LRPI-like 细胞中高度富集。这些结果进一步证实了 LRPI-like 细胞在调控脂肪酸生物合成和转运过程中的特定作用。

通过使用 CytoTRACE 和 Monocle 2 等工具分析了 LRPI-like 细胞向 QC-like 细胞的发育轨迹。结果显示，QC-like 细胞在分化状态中处于较低水平，而 LRPI-like 细胞则介于 QC-like 细胞和表皮样细胞之间。进一步的分析表明，LRPI-like 细胞在发育过程中经历了显著的转录组变化，并准备进行后期的细胞命运转换。此外，基因表达模式分析揭示了 QC-like 细胞在后期发育阶段具有丰富的生长素分布和运输活动，这些活动促进了细胞生长和扩张。研究还发现，QC-like 细胞在转录活动方面非常活跃，产生更多的转录本来满足新细胞壁和膜成分的高需求。总体而言，这些结果表明从 LRPI-like 细胞发展而来的 QC-like 细胞处于弱分化状态，并显示出增强的多能性和一系列调控愈伤组织发育的转录活动，表明其在后续愈伤组织发育中可能具有独特的作用。

通过分析 LRPI-like 和 QC-like 细胞的基因表达分数，发现这些细胞在愈伤组织形成和侧根发育中的基因表达和细胞身份存在显著差异，这些差异可能决定了细胞发展成愈伤组织而非侧根。通过比较 LRPI-like 和 QC-like 细胞与先前报道的侧根细胞和下胚轴愈伤组织细胞的亚型，发现 LRPI-like 细胞与 QCT-LRP 细胞高度相关，而 QC-like 细胞与这些细胞的相关性较低。此外，参与侧根形成和发育的基因在 LRPI-like 细胞中高度表达，而在 QC-like 细胞中这些表达显著抑制。相反，与愈伤组织身份相关的基因在 QC-like 细胞中显著诱导。这些结果表明，在从 LRPI-like 细胞到 QC-like 细胞的细胞命运转变过程中，侧根身份逐渐减弱，而多能性身份逐渐诱导和富集，这一过程可能特异于愈伤组织的形成，并促进愈伤组织的形成而非侧根。

通过转录因子调控网络（TFRN）分析，识别了 16 个新的转录因子和 106 个潜在调控的目标基因，构建了 QC-like 细胞的 TFRN。在这个网络中，发现了一些已知参与愈伤组织形成和芽再生的基因，如 WOX13、CYCD3;3、PHB 和 REV。这些目标基因在 LRPI-like 细胞向 QC-like 细胞的发育轨迹中特异性地富集。此外，TCP23、GBF4 和 RTV1 被发现是这些基因的调控因子，表明这些调控因子及其目标基因可能参与调控 QC-like 细胞的发育。通过分析模块 3 中的基因，发现这些基因主要涉及细胞壁生物合成、微管相关过程和分生组织发育，如 TUA4、XTH4、DWF1、EXL3、RTFL8 和 AT1G67120 等。这些基因在伪时间轨迹的晚期在 QC-like 细胞中富集。根据构建的 TFRN，TCP23、RTV1 和 bHLH104 是模块 3 中这些目标基因的主要上游调控因子，暗示这些基因可能在调控 QC-like 细胞的发育中发挥重要作用。总之，本研究构建了愈伤组织形成早期阶段的单细胞转录组图谱，并识别了 LRPI-like 细胞和 QC-like 细胞作为促进愈伤组织形成的关键过渡细胞类型，识别的基因调控因子为未来的研究提供了宝贵的资源。

讨论

• 研究通过单细胞 RNA 测序揭示了愈伤组织形成过程中的多种细胞类型，包括类维管、类表皮、类 LRPI 和类 QC 细胞
• 鉴定了两类新的多能性愈伤细胞群体：LRPI 样细胞和 QC 样细胞，并构建了它们的发育轨迹
• 发现 LRPI 样细胞中脂质运输活动的富集可能调节新生细胞的生长和细胞命运转变
• 通过比较分析，发现不同物种和组织间的愈伤形成存在保守的调控机制
• 未来研究应关注空间转录组学，以更深入理解愈伤诱导的细胞社会性和调控机制