整合scRNA-seq和snRNA-seq与空间转录组学以解开木质部之谜

背景：木质部发育是一个动态、连续的过程，对木本植物的次生生长和地球上的生物量积累至关重要。虽然单细胞RNA测序（scRNA-seq）能够重建早期木质部分化轨迹，但其依赖原生质体分离，排除了具有加厚次生细胞壁的晚期细胞，使得次生细胞壁沉积和程序性细胞死亡等关键阶段难以表征。结果：我们对杨树的茎发育木质部进行了单核RNA测序（snRNA-seq），并整合了之前的scRNA-seq数据集，以重建木质部形成的全面发育景观。解剖学验证证实，scRNA-seq图谱主要代表早期茎发育木质部，而snRNA-seq富集了更深的、次生细胞壁沉积层。整合分析揭示了一个在空间和转录上定义的次生细胞壁区域，该区域得到木质素自发荧光及其与激光捕获显微切割来源的转录组相关性的支持。差异表达和基因本体论分析揭示了木质素生物合成和程序性细胞死亡相关基因的富集，表明次生细胞壁形成和程序性细胞死亡启动在转录上是协调的。无监督聚类和支持向量机分类的机器学习进一步揭示了早期木质部细胞比晚期细胞具有更大的转录组异质性。结论：我们的研究结果表明scRNA-seq和snRNA-seq平台具有高度兼容性和互补性。这种整合方法不仅克服了单一技术的局限性，而且为解析植物复杂发育轨迹提供了一个实用且可扩展的框架。它成功重建了木质部发育的完整连续体，从形成层祖细胞到次生细胞壁形成再到程序性细胞死亡。