单细胞测序技术是近几年发展起来的热点技术。自2009年汤富酬等人在Nature Methods首次报道单细胞转录组测序技术以来，单细胞测序技术发展迅速。2011年，Nicholas等人开发了单细胞基因组测序技术发了单细胞基因组测序技术；2013年，汤富酬教授课题组开发出了单细胞全基因组DNA甲基化检测技术（scRRBS）。之后，研究人员进一步开创了单细胞Hi-C、单细胞ChIP-seq、单细胞ATAC-seq技术等。2013年，Nature Methods发表了社论文章，单细胞测序技术成为当年度最受关注的技术。2019年，Nature Methods再发社论，将单细胞多组学分析选为“Method of the Year 2019”。
单细胞测序技术的快速发展丰富了我们对于细胞异质性和细胞功能的理解，同时也使我们可以从多维度观测单一细胞，比如：基因水平、转录水平、表观水平、甚至空间水平，这一技术也使我们以前所未有的角度观测一个细胞，从整体了解单一细胞内不同分子事件是如何发生、以及如何与其它事件相互联系的。
单细胞转录组测序技术 (scRNA-seq) 可用来揭示不同细胞之间的转录异质性，尤其是对于整体上研究某个器官或者某群细胞单细胞转录组测序能在单个细胞分辨率下研究转录组表达情况，完美解决细胞异质性问题。但由于细胞壁等因素的限制，植物领域的单细胞转录组研究相对落后于生物医学领域。
直到2019年2月，Plant Physiology发表了第一篇植物单细胞转录组测序的文章，该工作由美国密歇根大学John Schiefelbein实验室完成，题为Single-Cell RNA Sequencing Resolves Molecular Relationships Among Individual Plant Cells。随后，2019年3月，Developmental Cell 发表了德国研究人员题为Spatiotemporal Developmental Trajectories in the Arabidopsis Root Revealed Using High-Throughput Single-Cell RNA Sequencing的文章。该研究通过高通量单细胞RNA测序，在拟南芥根中报道了一些新的细胞类型特异表达基因和细胞状态特异的转录因子。同月，The Plant Cell发表了美国华盛顿大学研究团队题为Dynamics of Gene Expression in Single Root Cells of A. Thaliana的论文，该研究利用单细胞RNA测序，从单细胞水平上解析了热激响应基因的转录调控网络。
一个月后，2019年4月，Molecular Plant 在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究组题为A single-cell RNA sequencing profiles the developmental landscape of Arabidopsis root 的研究论文。该研究在单细胞水平上揭示了拟南芥根尖细胞的异质性，描绘了拟南芥发育全景图并重构了根尖分生组织细胞的发育轨迹。短短两个月内，连续有4篇植物单细胞转录组测序方面的文章发表，足见这项技术在植物研究中的巨大潜力。
此外，2020年3月，武汉大学生命科学学院孙蒙祥团队在在Nature Communications发表了题为Cell lineage-specific transcriptome analysis for interpreting cell fate specification of proembryos的论文，利用单细胞测序技术构建了首个拟南芥顶、基细胞系特异转录组数据库。
近期，国内植物单细胞RNA测序相关研究再发力。2020年6月24日，河南大学孙旭武教授课题组在Molecular Plant 在线发表了题为Global Dynamic Molecular Profiles of Stomatal Lineage Cell Development by Single-Cell RNA Sequencing 的文章。该研究首次运用单细胞RNA-seq技术解析了拟南芥气孔系细胞发育进程中的转录组动态模式。
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。
研究人员对从5日龄拟南芥幼苗子叶中获得的12844个细胞进行single cell RNA序列分析。通过tSNE分析鉴定到了11个细胞簇，包括与气孔发育阶段细胞相对应的细胞簇。
利用已知的marker genes 鉴定细胞类型
研究者通过分析不同类型的细胞中特异表达的基因，解析了不同的细胞中基因表达模式并鉴定了每种类型的细胞中最显著表达的标记基因。随后通过基因本体论 (Gene Ontology) 分析，解析了每种类型细胞中显著富集表达下基因所参与的生物学功能。为了分析气孔细胞早期发育阶段的基因表达调控机制，研究者构建了气孔分生母细胞中基因表达的转录因子调控网络。进一步通过分析所鉴定的标记基因和转录因子的拟南芥突变体的气孔发育表型，确定了这些基因在调控气孔发育中所扮演的重要角色。该研究为利用单细胞RNA测序技术在鉴定新的标记基因以及解析气孔谱系细胞发育的调控机制提供了新的研究思路和技术体系。
鉴定不同类型细胞中的标记基因
河南大学刘祉辛博士，博士研究生周亚萍、郭敬功和上海师范大学硕士研究生李姣爱为并列第一作者，河南大学孙旭武教授为通讯作者。该研究受到国家自然科学基金等项目的资助。上海欧易生物医学科技有限公司肖云平博士，陆瑶博士和巴永兵博士在数据处理中给予了帮助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2020.06.010
（文章转自BioArt植物）
