植物研究中单细胞测序的应用

传统高通量测序技术（如Bulk RNA-seq）只能获取组织样本的“平均表达信号”，掩盖了细胞间的异质性——而植物组织（如叶片、根、花药）恰恰由数十种功能迥异的细胞类型构成（如表皮细胞、叶肉细胞、维管细胞等）。单细胞测序技术的出现，彻底改变了这一局面：它通过将单个细胞的核酸（RNA/DNA）分离、扩增并测序，实现对单个细胞转录组、表观组或基因组的高分辨率解析，让科学家首次能“看清”每个细胞的独特身份与功能。

目前，植物单细胞测序已不再局限于简单的“画图谱”，而是深入到发育调控机制解析、抗逆基因挖掘、代谢合成途径定位、分子育种靶点筛选等核心科学问题。从拟南芥、水稻等模式植物，到玉米、棉花、大豆、人参等经济作物，单细胞技术正在重塑我们对植物生命活动的认知。

植物单细胞测序技术体系丰富，不同技术针对的研究目标各有侧重。以下结合技术原理、适用场景、研究价值及典型案例，系统梳理主流研究方案：

通过分离单个细胞，反转录扩增其mRNA并构建测序文库，获得单个细胞的转录组图谱，用于鉴定细胞类型、解析基因表达异质性。

• 植物多组织/器官的细胞图谱构建（如根、茎、叶、花、种子）；

• 发育过程的细胞分化轨迹（如体细胞胚胎发生、木质部细胞成熟）；

• 基因功能的细胞特异性调控（如转录因子在不同细胞中的功能差异）。

scRNA-seq是植物单细胞研究的“基础工具”，能快速解析细胞异质性，为后续机制研究提供“细胞地图”。

Parental Specific Expression by scRNA-Seq Reveals HaWRKY40 Contributing to Heterosis of Sunflower

该研究利用scRNA-seq技术构建了向日葵高分辨率转录组图谱，揭示了杂种优势在细胞层面的分子机制，发现代谢重编程及特定转录因子（如HaWRKY40）的等位基因特异性表达促进了杂交种的生长优势。

图1 向日葵单细胞图谱及杂种优势机制

针对植物细胞壁坚硬、原生质体提取困难的组织（如种子、木质部），通过破碎细胞获得单核，提取核内RNA进行测序（核RNA包含pre-mRNA与成熟mRNA，可反映基因表达特征）。

解决了植物原生质体制备的瓶颈，扩展了单细胞技术在“难处理组织”中的应用。

Single-nucleus multi-omics reveals the impact of drought stress on the development of soybean endosperm

该研究利用snRNA-seq技术构建了大豆种子发育的高分辨率图谱，揭示了干旱胁迫下胚乳细胞（特别是周边胚乳）的异质性响应及代谢重编程机制。

图2 大豆种子发育的单核多组学分析

通过转座酶（Tn5）切割开放染色质区域并插入测序接头，获得单个细胞的染色质可及性图谱，用于鉴定顺式调控元件（如启动子、增强子）及转录因子结合位点。

从表观遗传层面解析基因表达的“开关”机制，弥补转录组仅反映表达结果的局限。

A single-cell rice atlas integrates multi-species data to reveal cis-regulatory evolution

该研究利用单细胞ATAC-seq技术构建了水稻单细胞染色质开放图谱，通过跨物种比较揭示了草类植物中细胞类型特异性顺式调控元件的快速进化规律，特别是表皮细胞中调控序列的物种特异性演化。

图3 利用scATAC-seq数据鉴定水稻细胞类型并表征ACRs

同时检测单个细胞的转录组（RNA）与表观组（ATAC）或蛋白组，整合多维度数据解析基因表达与表观调控的协同关系。

复杂调控网络（如干细胞重编程中的基因表达与染色质动态协同）；

发育/胁迫过程中的多层面响应（如干旱胁迫下基因表达与染色质可及性的联动变化）。

突破单一组学的局限性，提供更全面的细胞调控机制解析。

STEMIN transcription factor drives selective chromatin remodeling for gene activation within a relaxed chromatin during reprogramming in the moss Physcomitrium patens

该研究利用单核多组学（snRNA-seq与snATAC-seq）技术，解析了小立碗藓伤口诱导重编程过程中的基因表达与染色质动态。发现伤口触发广泛的染色质松弛，而STEMIN转录因子在此基础上选择性地增强干细胞关键基因位点的开放性，从而驱动重编程。

图4 原丝体、配子体和剪切叶片的联合snRNA-seq与snATAC-seq聚类分析

空间转录组（如Visium）保留组织空间位置信息，单细胞测序提供高分辨率细胞类型注释，两者整合可精准定位特定细胞类型在组织中的空间分布。

解决单细胞测序“丢失空间信息”的痛点，实现“细胞类型-空间位置-功能”的闭环验证。

Single-cell sequencing and mass spectrometry imaging reveal the multicellular compartmentalization map of plant triterpenes: A ginsenoside in Panax ginseng example

该研究结合单核转录组（snRNA-seq）与质谱成像（MALDI-MSI）技术，构建了人参皂苷合成的多细胞空间分隔图谱。揭示了其合成路径中基因在保卫细胞与叶肉细胞特异性表达，而产物主要储存在表皮细胞的机制。

图5 人参叶细胞类型注释

面对复杂的植物样本以及从单细胞到多组学的研究需求，翌圣生物提供全流程、高灵敏度的单细胞测序建库试剂，助力植物科研工作者突破技术瓶颈。