得益于雙子葉模式植物擬南芥和單子葉模式植物水稻的遺傳學(xué)研究，植物發(fā)育生物學(xué)在過去40年取得了長足發(fā)展。植物分生組織（干細(xì)胞）的建立與維持機(jī)制、重要組織和器官的分化軌跡及其核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)已初步建立。這些基礎(chǔ)知識為作物農(nóng)藝性狀的分子調(diào)控解析與設(shè)計(jì)改造奠定了基礎(chǔ)。然而，隨著正向遺傳學(xué)篩選的日趨飽和，基因功能的冗余性逐漸成為植物新基因挖掘的巨大障礙。

　　近日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、植物高效碳匯重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王佳偉研究組突破了植物單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序底層技術(shù)難點(diǎn)，繪制出世界首張維管植物整合細(xì)胞圖譜。研究通過系統(tǒng)鑒定維管植物各類細(xì)胞的底層基因，突破了基因高效挖掘的瓶頸，為植物發(fā)育生物學(xué)研究提供了全新的研究范式。

　　該研究利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，繪制了涵蓋維管植物六大主要類群的單細(xì)胞圖譜。這項(xiàng)工作面臨兩個挑戰(zhàn)：較多植物尤其是它們地上部分組織和器官的高質(zhì)量單細(xì)胞（原生質(zhì)體）制備難度大；較多植物特別是蕨類植物和裸子植物的基因組龐大且相關(guān)測序尚未完成，限制了這些植物單細(xì)胞圖譜的數(shù)據(jù)分析。為了解決這些問題，研究開發(fā)了高效的原生質(zhì)體制備技術(shù)，建立了一套無需參考基因組即可進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析的流程，擴(kuò)展了適合進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序的目標(biāo)植物范圍。

　　基于上述兩項(xiàng)技術(shù)突破，該研究繪制了石松類植物（石松和銀邊卷柏）、蕨類植物（腎蕨）及裸子植物（油松）四張全新單細(xì)胞圖譜，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了維管植物的整合單細(xì)胞圖譜。維管植物的起源可追溯到約四億年前，因此這張整合細(xì)胞圖譜是目前已知的跨越演化時間最大的植物整合單細(xì)胞圖譜。

　　進(jìn)一步，該研究通過四個應(yīng)用場景證明該整合細(xì)胞圖譜的獨(dú)特優(yōu)勢和重要性。研究在蕨類和裸子植物中發(fā)現(xiàn)了此前未發(fā)現(xiàn)的新細(xì)胞類型即韌皮部中的類伴胞細(xì)胞?；诳缥锓N保守性和基因表達(dá)模式相似性，研究揭示了維管植物各類細(xì)胞的底層基因集。已知的擬南芥各類細(xì)胞類型的關(guān)鍵調(diào)控基因大部分均可在這個底層基因集中找到。研究通過兩個案例證明維管植物底層基因集能夠應(yīng)對當(dāng)前基因挖掘的瓶頸并發(fā)現(xiàn)新的發(fā)育基因。研究以各類細(xì)胞底層基因集為參考，開發(fā)了維管植物通用的細(xì)胞類型自動化注釋工具，能夠在短時間內(nèi)對未知圖譜進(jìn)行初步注釋。

　　該團(tuán)隊(duì)在植物單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)分析技術(shù)和資源（圖譜）方面取得了進(jìn)展，揭示了全新的生物學(xué)現(xiàn)象并挖掘出新的發(fā)育基因，為建立植物泛細(xì)胞圖譜，實(shí)現(xiàn)植物發(fā)育生物學(xué)復(fù)興奠定了基礎(chǔ)。

　　8月18日，相關(guān)研究成果以A unified cell atlas of vascular plants reveals cell-type foundational genes and accelerates gene discovery為題，在線發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）上。研究工作得到農(nóng)業(yè)生物育種重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等的支持。

科學(xué)家開發(fā)出基因挖掘新策略