10x單細(xì)胞ATAC測(cè)序助力繪制水稻根首個(gè)單細(xì)胞染色質(zhì)可及性圖譜

根系的發(fā)育和功能在植物適應(yīng)環(huán)境的過程中起著核心作用。然而，定義根系發(fā)育和對(duì)環(huán)境脅迫反應(yīng)的分子基礎(chǔ)和調(diào)控方案在很大程度上仍然未知。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄調(diào)控為理解復(fù)雜組織中的細(xì)胞表型變異及其對(duì)內(nèi)源性和環(huán)境刺激的反應(yīng)提供了重要工具。在真核生物中，基因表達(dá)與開放染色質(zhì)高度相關(guān)，這可以通過高通量測(cè)序（ATAC-seq）對(duì)轉(zhuǎn)座酶可及染色質(zhì)進(jìn)行定位分析。近年來，ATAC-seq已被應(yīng)用于多個(gè)真核生物物種，包括兩種植物物種，即擬南芥和玉米。與染色質(zhì)狀態(tài)在基因表達(dá)中的重要作用相一致，這些研究確定了不同組織和細(xì)胞類型的不同染色質(zhì)模式，并揭示了關(guān)鍵的調(diào)控序列，這些序列反過來可能與轉(zhuǎn)錄因子（TFs）相關(guān)。

2022年12月8日，來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所谷曉峰研究員和德國海德堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作在BMC Biology發(fā)表了題為Chromatin accessibility illuminates single-cell regulatory dynamics of rice root tips的研究論文。該研究使用10x Genomics公司單細(xì)胞ATAC測(cè)序技術(shù)對(duì)正常和熱脅迫條件下的水稻根尖細(xì)胞進(jìn)行了分析，繪制了水稻根首個(gè)單細(xì)胞染色質(zhì)可及性圖譜，在單細(xì)胞分辨率下對(duì)水稻這一重要作物的調(diào)控動(dòng)態(tài)進(jìn)行了綜合分析，為研究水稻根細(xì)胞類型的發(fā)育和功能提供了單細(xì)胞分辨率下染色質(zhì)可及性的寶貴資源，對(duì)作物發(fā)育和環(huán)境刺激研究具有重要意義。



與玉米類似，水稻是世界上最重要的作物之一，研究者之前分析了兩個(gè)品種的水稻根尖單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組，揭示了物種特有的表達(dá)程序。為了闡明對(duì)觀察到的基因表達(dá)狀態(tài)調(diào)節(jié)的機(jī)制，研究者通過scATAC-seq對(duì)水稻根尖46758個(gè)細(xì)胞核進(jìn)行了分析，通過細(xì)胞類型特異性可及性染色質(zhì)區(qū)域(ACRs)鑒定了幾乎所有細(xì)胞類型，并利用這些ACR來探索水稻根系發(fā)育過程中染色質(zhì)可及性的動(dòng)態(tài)以及對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)。研究人員還開發(fā)了水稻根的單細(xì)胞染色質(zhì)可及性（SCAR）網(wǎng)站http://www.elabcaas.cn/scar/index.html可供免費(fèi)使用。

通過單細(xì)胞ATAC-seq技術(shù)，研究者在水稻根中鑒定出9種細(xì)胞類型，有趣的是，并非所有細(xì)胞類群特異性ACRs都能映射到細(xì)胞類型標(biāo)記基因。因此，研究者對(duì)一個(gè)基因進(jìn)行了RNA原位雜交，該基因與差異可及性區(qū)域相關(guān)，并且沒有先前的細(xì)胞類型特異性表達(dá)的證據(jù)。令人欣慰的是，LOC_Os04g53640在根冠中的mRNA檢測(cè)與其在UMAP標(biāo)記的根冠群中的富集表達(dá)一致。這表明，細(xì)胞類群特異性ACRs具有檢測(cè)單細(xì)胞RNA-seq無法識(shí)別的差異表達(dá)基因的能力。

研究者采用整合擬南芥scRNA-seq和scATAC-seq數(shù)據(jù)集的方法，將水稻scATAC-seq數(shù)據(jù)與近期報(bào)道的scRNA-seq數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合并繪制了UMAP圖，其可視化顯示了在scRNA-seq和scATAC-seq之間匹配細(xì)胞類型的相似分布模式，這進(jìn)一步支持了研究者的聚類注釋。研究者還觀察到非重疊細(xì)胞，這可能是由多種因素引起的，包括scRNA-seq過程中原生質(zhì)體誘導(dǎo)的顯著表達(dá)效應(yīng)，在scATAC-seq過程中不存在，染色質(zhì)開放可及性但低表達(dá)/無表達(dá)的基因，以及染色質(zhì)封閉區(qū)域但高表達(dá)的基因。


 

研究者還描繪了ACR和組蛋白修飾、轉(zhuǎn)錄因子以及基因表達(dá)的相關(guān)性，通過擬時(shí)序分析，描繪了根毛細(xì)胞類型分化過程中的染色質(zhì)和基因表達(dá)動(dòng)態(tài)變化。除了根系發(fā)育過程中的染色質(zhì)動(dòng)態(tài)，研究人員還重點(diǎn)闡述了單細(xì)胞水平染色質(zhì)開放區(qū)對(duì)環(huán)境信號(hào)熱脅迫下的變化，發(fā)現(xiàn)了熱脅迫下細(xì)胞類型特異性的染色質(zhì)可及性及相關(guān)基因的表達(dá)變化。

參考文章：
https://doi.org/10.1186/s12915-022-01473-2

10x Genomics Chromium 單細(xì)胞多組學(xué)ATAC + 基因表達(dá)解決方案

表觀基因組景觀和基因表達(dá)密切關(guān)聯(lián)，兩者相互作用后驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵的生物學(xué)功能，比如細(xì)胞分化、發(fā)育和疾病。10x Genomics不僅可以提供Chromium單細(xì)胞ATAC、基因表達(dá)解決方案，還提供單細(xì)胞多組學(xué)ATAC + 基因表達(dá)解決方案，可在一次實(shí)驗(yàn)中同時(shí)分析來自同一細(xì)胞的基因表達(dá)和開放染色質(zhì)，在同一細(xì)胞中直接整合檢測(cè)基因表達(dá)和表觀基因組。通過同時(shí)利用兩種模式發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄組相似但染色質(zhì)功能不同的細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞基因表達(dá)譜及其表觀基因組圖譜的統(tǒng)一，通過關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳學(xué)分析可加深對(duì)細(xì)胞類型和狀態(tài)的描繪，幫助科研人員了解腫瘤異質(zhì)性的驅(qū)動(dòng)因素、治療耐藥機(jī)制以及神經(jīng)退化疾病或免疫疾病的細(xì)胞類型。憑借多組學(xué)技術(shù)，您可以在最大限度地利用珍貴樣本的同時(shí)深入了解表觀基因組與轉(zhuǎn)錄組之間的關(guān)系。



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