隨著氣候變化考驗農(nóng)民和作物的抵抗力，科學(xué)家們努力探索植物細胞中基因表達之間的復(fù)雜生物學(xué)交流，以更好地理解植物如何應(yīng)對動態(tài)環(huán)境。盡管基因表達的繪制提供了有用信息，但傳統(tǒng)的基因表達空間理解方法存在一定限制。
最近，位于索爾克生物研究所的植物生物學(xué)家輝谷辰也開發(fā)了一種全新的方法，用于在3D內(nèi)部植物世界中可視化多個基因。這一研究成果刊登在《自然植物》上，為了解細胞類型、狀態(tài)及其與環(huán)境相互作用，以識別精準植物育種的有益特性提供了一種有前途的工具。
研究人員通常使用單細胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)來測序組織中的單個細胞，以了解它們對應(yīng)激的反應(yīng)。然后，他們生成基因編輯的報告基因系以研究單細胞轉(zhuǎn)錄組分析中識別的目標基因。然而，這些報告基因系的制備耗時費力，而且限制了研究人員僅能研究一個感興趣的基因。此外，成像技術(shù)需要將植物組織切割成薄片，從而喪失了空間信息。
這些限制嚴重阻礙了對基因表達分析的空間理解的進展，輝谷辰也對此提出了新的方法。
為了節(jié)省時間，同時研究多種基因，輝谷辰開發(fā)了一種名為“植物雜交基因表達圖（PHYTOMap）”的方法。PHYTOMap基于原位雜交和測序技術(shù)，可以同時在擬南芥全組織樣本中可視化幾十個基因。他解釋說：“我選擇擬南芥作為概念驗證的對象，因為它一直是許多植物生物學(xué)家的模式生物，幫助我們理解植物生物學(xué)的基本原理?！?/strong>
輝谷辰選擇了擬南芥的根尖作為目標，這是研究生長、養(yǎng)分吸收以及與土壤微生物互動的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。首先，他固定了整個根尖組織，將所有目標RNA分子固定在原位。然后，輝谷辰將RNA分子與含有基因特定條形碼的人工DNA探針雜交，然后使用雜交化學(xué)的方式擴增并檢測。借助這一技術(shù)，他可以可視化特定基因，然后輕松更換探針，以替代新一組目標基因的探針。
為展示PHYTOMap的多基因檢測能力，輝谷辰選擇了根尖中的28個基因。這些基因包括已知的細胞類型標記基因以及單細胞RNA測序研究中確定的其他標記候選基因。此外，PHYTOMap對于表達較低的基因表現(xiàn)出很高的敏感性，并捕獲了主要的細胞類型和發(fā)育階段。當輝谷辰匯編這些圖像時，它們呈現(xiàn)出擬南芥根尖內(nèi)的各種基因的多彩畫布。
PHYTOMap的準確性與其他基于成像的技術(shù)相媲美，并成功檢測到擬南芥模型根尖中預(yù)期細胞類型和區(qū)域的綠色熒光蛋白（GFP）mRNA。研究人員展示了PHYTOMap在植物組織中研究細胞反應(yīng)的空間調(diào)控方面的潛力。
輝谷辰表示：“PHYTOMap可能有助于研究植物在面對不同的環(huán)境壓力，如升溫或寒冷溫度以及病原體侵襲時的應(yīng)激反應(yīng)。由于植物對壓力的反應(yīng)非常多樣化，因此以單細胞分辨率和空間信息來理解這些反應(yīng)非常重要?！?/span>
空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家使用兩種方法：成像和測序。瑞典皇家理工學(xué)院（KTH）生命科學(xué)研究所的空間生物學(xué)家Stefania Giacomello表示：“這項工作代表了植物中首個基于成像的方法，允許我們以亞細胞分辨率可視化基因，這在該領(lǐng)域一直缺失?！?/span>
2017年，Stefania Giacomello開發(fā)了一種與PHYTOMap互補的測序方法，用于探討植物轉(zhuǎn)錄組學(xué)的非定向、探索性研究。這種探索性方法捕捉了整個轉(zhuǎn)錄組，但分辨率不如成像方法。Stefania Giacomello解釋說：“這就是你需要PHYTOMap這樣的基于目標的方法來聚焦目標基因的時候?！备叻直媛食上駥⑼苿覲HYTOMap的努力，以可視化并深入了解植物在不斷變化的環(huán)境中的動態(tài)基因相互作用。
輝谷辰準備在索爾克生物研究所建立自己的實驗室，計劃進一步發(fā)展PHYTOMap的多模式潛力。他表示：“我希望通過平衡PHYTOMap，同時檢測RNA、蛋白質(zhì)和代謝物，以最大化獲得的信息量，更好地理解植物與微生物互動中正在發(fā)生的事情。”
Nobori T, et al. Multiplexed single-cell 3D spatial gene expression analysis in plant tissue using PHYTOMap. Nat Plants. 2023;9:1026–1033.
Shahan R, et al. A single-cell Arabidopsis root atlas reveals developmental trajectories in wild-type and cell identity mutants. Dev Cell. 2022;57:543–560.
Giacomello S, et al. Spatially resolved transcriptome profiling in model plant species. Nat Plants. 2017;3:17061.
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