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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（干細胞）的建立與維持機制、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、植物高效碳匯重點實驗室王佳偉研究組突破了植物單細胞轉(zhuǎn)錄組測序底層技術(shù)難點，繪制出世界首張維管植物整合細胞圖譜。研究通過系統(tǒng)鑒定維管植物各類細胞的底層基因，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胞圖譜。這項工作面臨兩個挑戰(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行單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析的流程，擴展了適合進行單細胞轉(zhuǎn)錄組測序的目標(biāo)植物范圍。基于上述兩項技術(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）四張全新單細胞圖譜，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了維管植物的整合單細胞圖譜。維管植物的起源可追溯到約四億年前，因此這張整合細胞圖譜是目前已知的跨越演化時間最大的植物整合單細胞圖譜。進一步，該研究通過四個應(yīng)用場景證明該整合細胞圖譜的獨特優(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)的新細胞類型即韌皮部中的類伴胞細胞。基于跨物種保守性和基因表達模式相似性，研究揭示了維管植物各類細胞的底層基因集。已知的擬南芥各類細胞類型的關(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。研究以各類細胞底層基因集為參考，開發(fā)了維管植物通用的細胞類型自動化注釋工具，能夠在短時間內(nèi)對未知圖譜進行初步注釋。該團隊在植物單細胞轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)分析技術(shù)和資源（圖譜）方面取得了進展，揭示了全新的生物學(xué)現(xiàn)象并挖掘出新的發(fā)育基因，為建立植物泛細胞圖譜，實現(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《細胞》（Cell）上。研究工作得到農(nóng)業(yè)生物育種重大項目、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（B類）等的支持。論文鏈接科學(xué)家開發(fā)出基因挖掘新策略