根系的發育和功能在植物適應環境的過程中起著核心作用。然而，定義根系發育和對環境脅迫反應的分子基礎和調控方案在很大程度上仍然未知。單細胞轉錄調控為理解復雜組織中的細胞表型變異及其對內源性和環境刺激的反應提供了重要工具。在真核生物中，基因表達與開放染色質高度相關，這可以通過高通量測序（ATAC-seq）對轉座酶可及染色質進行定位分析。近年來，ATAC-seq已被應用于多個真核生物物種，包括兩種植物物種，即擬南芥和玉米。與染色質狀態在基因表達中的重要作用相一致，這些研究確定了不同組織和細胞類型的不同染色質模式，并揭示了關鍵的調控序列，這些序列反過來可能與轉錄因子（TFs）相關。

2022年12月8日，來自中國農業科學院生物技術研究所谷曉峰研究員和德國海德堡大學的研究團隊合作在BMC Biology發表了題為Chromatin accessibility illuminates single-cell regulatory dynamics of rice root tips的研究論文。該研究使用10x Genomics公司單細胞ATAC測序技術對正常和熱脅迫條件下的水稻根尖細胞進行了分析，繪制了水稻根首個單細胞染色質可及性圖譜，在單細胞分辨率下對水稻這一重要作物的調控動態進行了綜合分析，為研究水稻根細胞類型的發育和功能提供了單細胞分辨率下染色質可及性的寶貴資源，對作物發育和環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品種的水稻根尖單細胞轉錄組，揭示了物種特有的表達程序。為了闡明對觀察到的基因表達狀態調節的機制，研究者通過scATAC-seq對水稻根尖46758個細胞核進行了分析，通過細胞類型特異性可及性染色質區域(ACRs)鑒定了幾乎所有細胞類型，并利用這些ACR來探索水稻根系發育過程中染色質可及性的動態以及對環境變化的響應。研究人員還開發了水稻根的單細胞染色質可及性（SCAR）網站http://www.elabcaas.cn/scar/index.html可供免費使用。

通過單細胞ATAC-seq技術，研究者在水稻根中鑒定出9種細胞類型，有趣的是，并非所有細胞類群特異性ACRs都能映射到細胞類型標記基因。因此，研究者對一個基因進行了RNA原位雜交，該基因與差異可及性區域相關，并且沒有先前的細胞類型特異性表達的證據。令人欣慰的是，LOC_Os04g53640在根冠中的mRNA檢測與其在UMAP標記的根冠群中的富集表達一致。這表明，細胞類群特異性ACRs具有檢測單細胞RNA-seq無法識別的差異表達基因的能力。

研究者采用整合擬南芥scRNA-seq和scATAC-seq數據集的方法，將水稻scATAC-seq數據與近期報道的scRNA-seq數據進行了整合并繪制了UMAP圖，其可視化顯示了在scRNA-seq和scATAC-seq之間匹配細胞類型的相似分布模式，這進一步支持了研究者的聚類注釋。研究者還觀察到非重疊細胞，這可能是由多種因素引起的，包括scRNA-seq過程中原生質體誘導的顯著表達效應，在scATAC-seq過程中不存在，染色質開放可及性但低表達/無表達的基因，以及染色質封閉區域但高表達的基因。


 

研究者還描繪了ACR和組蛋白修飾、轉錄因子以及基因表達的相關性，通過擬時序分析，描繪了根毛細胞類型分化過程中的染色質和基因表達動態變化。除了根系發育過程中的染色質動態，研究人員還重點闡述了單細胞水平染色質開放區對環境信號熱脅迫下的變化，發現了熱脅迫下細胞類型特異性的染色質可及性及相關基因的表達變化。

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

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