随着单细胞转录组测序价格的逐渐降低财米网，植物领域的研究也开始广泛应用这一技术。近日，《Plant Cell Reports》上发表的一篇综述详细探讨了 植物单细胞转录组的最新研究进展、面临的挑战、应对方案以及实际应用方向 。
1、单细胞转录组研究进展
自2000年以来，单细胞转录组技术不断发展，正在为我们提供前所未有的视角，以理解植物在复杂环境中的适应机制及其生长发育过程。
图1 植物单细胞转录组学关键里程碑的时间表
2、 单细胞转录组vs普通转录组测序
展开剩余80%单细胞转录组在单个细胞水平上构建基因表达谱，能够反映细胞间的异质性，发现新的细胞类型，并了解细胞的表达调控机制，可以提供基因“时间动态表达”的信息；普通转录组测序提取多个细胞的混合RNA进行测序，得到的是群体细胞中单个基因的平均表达水平。这种方法主要用于比较不同组织间的表达差异，但无法反映个别细胞的差异。
图2 单细胞转录组vs普通转录组测序的区别示意图
3、 单细胞多组学
为了获得全面的单细胞状态与功能财米网，目前单细胞水平研究除了转录组，还有基因组、表观组、蛋白组、代谢组、翻译组。
图3 单细胞多组学的类型
4、 植物单细胞转录组学面临的挑战和局限性
技术挑战 ：1）低灵敏度和检测限：单细胞转录组学在检测转录本时常面临灵敏度低和高变异性的问题。难以准确捕获低丰度转录本，这可能导致转录组的表达不完整或有偏倚；2） 脱失事件：脱失事件是指转录本在细胞中存在却未被检测到，这一现象会导致基因表达数据的假阴性；3）高成本：单细胞转录组技术相关的技术复杂性和高成本可能令人望而却步。；4）数据分析和整合难度大：分析单细胞转录组数据需要先进的计算工具和统计方法，将这些数据与其他组学层（如蛋白质组学、代谢组学）也有额外的挑战。
生物挑战：1）细胞异质性：细胞间的生物学变异性增加了单细胞转录组的复杂性。不同的细胞可能因其发育阶段、细胞类型或环境条件而具有巨大的差异，这种固有的异质性可能会掩盖有意义的模式，并使结果的解释变得复杂；2）样品制备和处理：用于转录组分析的单细胞制备（制备原生质体或抽核）会引入偏差，影响数据的可重复性。
当前方法的局限性：1）分辨率和覆盖范围：缺乏对整个转录组的全面覆盖，偏向于捕获高表达的基因，而低丰度和新颖的转录本可能会被遗漏；2）缺乏位置信息，空间信息的缺失限制了理解基因表达模式如何与组织结构和细胞相互作用相关的能力；3）可扩展性和再现性差：将单细胞转录组学扩展到更多的细胞或不同的植物物种仍然是一个挑战。不同研究或实验条件下结果的可重复性可能会受到方案和分析方法的差异影响 。
5、应对挑战的解决方案
1）结合空间转录组：单细胞转录组学与空间转录组学相结合，在理解组织结构和细胞微环境方面具有重大突破的潜力，帮助研究人员能够绘制特定组织区域的基因表达谱，揭示空间环境如何影响细胞行为和相互作用。
2）实时和原位单细胞分析：实时和原位单细胞转录组学技术的创新有望彻底改变人们监测动态生物过程的能力。活细胞成像和微流控技术的进步为开发能够捕捉和分析生物体内转录组变化的系统提供保障。
3）结合CRISPR分析：在单细胞水平上进行精确的基因编辑和全面的转录组分析，从而为植物细胞反应和基因功能提供前所未有的见解。
6、单细胞转录组应用方向
1）个性化医疗和治疗：通过分析个体患者的细胞反应，研究人员可以识别新的生物标志物，并开发出更有效的靶向治疗方法。
2）合成生物学与工程：单细胞转录组学也将在合成生物学和基因工程中发挥关键作用。了解工程细胞和生物体的转录组学景观将为合成结构和生物系统的设计和优化提供信息，从而实现对基因表达和功能的更精确控制。
3）在作物改良和可持续性方面的潜在应用：通过揭示与理想性状（如抗逆性或营养效率）相关的基因表达模式，可以实现更有针对性的育种策略。
4）加强基因和基因组研究：通过分析单个细胞内基因的共表达，促进了基因调控网络和相互作用的研究，发现了在植物生长和发育中起重要作用的新型调控模块和基因相互作用，在单细胞水平上理解这些相互作用有助于构建更准确的基因调控和功能模型。
图4 单细胞转录组学在植物研究中的应用
参考文献
Single‑cell transcriptomics: a new frontier in plant biotechnology research.Plant Cell Reports财米网,2024
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