2022年2月4日上海交通大学生命科学技术学院/代谢与发育科学国际合作联合实验室袁政教授课题组在New Phytologist上发表了题为“A rice single cell transcriptomic atlas defines the developmental trajectories of rice floret and inflorescence meristems”的研究论文。作者利用单细胞转录组对水稻花序进行分析，构建了涵盖早期生殖发育过程中从花序到小花转变的单细胞动态全景图。此外，作者还通过分子和遗传分析，不仅证明了WOX转录因子DWARF TILLER1在调节水稻花分生组织活性中发挥功能，还确认了生长素转运蛋白OsAUX1在花序发育中的作用，为生长素在水稻花序分枝中的作用提供了证据。
研究背景
水稻是人类重要的粮食作物之一，在我国粮食生产中占有重要的地位。水稻花序的形态结构是直接决定最终产量的重要农艺性状之一，因此，深入研究水稻花序和花发育形态建成的调控机制，可以为水稻高产稳产育种提供基因资源和理论基础。
近年来，多家实验室利用单细胞转录组测序技术（scRNA-seq）研究了拟南芥、玉米、水稻等物种的根、茎和叶等组织的细胞特性和异质性，该技术不仅在单细胞分辨率上提供了有价值的转录组学信息，还对这些器官的发育轨迹提供了新的见解。
材料和方法研究材料：水稻花序 (O. sativa L. ssp)
研究技术：单细胞转录组分析
研究思路
研究结果
1. 水稻花序单细胞转录组学中离散细胞类型和发育阶段的鉴定
在水稻从营养发育到生殖发育的过渡过程中，花序分生组织(IM)、分支分生组织(BMs)和小穗分生组织(SMs)的建立都发生在一个很短的时间窗口内(图1a)。因此，作者在发育早期的两个阶段——S1(< 2毫米)和S2(2-3毫米)收集了包含不同组织的花序样本，并利用scRNA-seq对这些样品进行分析(图1b)，该分析得到了37571个细胞的数据集。
为了确定这些细胞的类型，作者收集了已报道的转录组数据和在花序和小穗发育的不同细胞类型中起作用的标记基因，通过基因表达的定量集合分析(图1e)定义每个簇中标记基因和富集基因的表达之间的相关性，并将这些细胞分为小穗、分生组织、花序轴和叶四大细胞类群（图1c,f），这四种细胞类型(小穗、分生组织、轴和叶)表现出不同的表达谱。
然后，作者进一步对水稻花序进行细胞类群鉴定和全面分析，结果表明：水稻早期花序中存在高度的细胞异质性，scRNA-seq数据有助于水稻花序中离散细胞类型和发育阶段的鉴定。
2. 基于基因表达谱对小穗细胞簇进行分类
作者随后对小穗和花细胞进行了细分研究。这些小穗亚簇的细胞特性是通过小穗标记基因表达谱来进行分类(图2b)。首先，作者使用花序簇1和11进行的二次聚类分析发现了10个小穗子簇 (图2a)。此前研究表明，在幼穗和小花分生组织(FMs)中表达的DWT1是编码WUSCHEL相关的同源盒子(WOX) TF，在该研究发现其在小穗第7个子簇中特异性富集，这说明该子簇中的细胞是FM细胞(图2b)。然后，作者对这10个小穗子簇进行分类，结果显示，矮秆蘖1（DWT1）和E类基因OsMADS6和OsMADS8分别在小穗第7和第5子簇中特异性富集，可以识别这两个子簇为花细胞，而在小穗第0子簇中富集OsMADS1则表明了其外稃同质性(图2b)。
此外，来自小穗1、3和6亚簇的细胞在所有发育轨迹上均匀分布(图2c)，它们被归类为支持整个小穗发育的小穗支持细胞(SSCs)(图2a)。而具有相似基因表达谱和GO基因注释的小穗亚簇2和8的细胞与具有分生组织特征的亚簇7具有相似的拟时序发育轨迹(图2c)，两者均被归类为小穗识别细胞（SICs）。综上所述，小穗子簇的拟时序分析揭示了三个可能的发育分支:FM-SSC、FM-SIC和FM –floret。
3. 单细胞RNA-seq揭示DWT1在维持FM活性和内稃发育中的作用
为了专门研究小花的发育，作者去掉了SSC亚簇，并将剩下的细胞重新聚集成10个小花细胞亚簇 (图3a,b)。结果显示，小花子簇1和6被指定为中心细胞，小花亚簇0、2、8和9分别被指定为外稃、内稃、小叶房和雄蕊。通过编码AP2/ERF TF的Os04g0550200的原位杂交分析显示其在SM和FM的背侧细胞中的特异性转录(图3d)。通过上节的研究发现，WOX类转录因子DWT1在FM中高度富集，是FM的标记基因。此外，作者进一步表征了DWT1在小花发育中的作用，结果显示DWT1基因突变的确会造成内稃、浆片属性和数量的异常。综上所述，DWT1参与花的发育，调节FM活性和内稃的发育。
4. 单细胞RNA-seq为水稻小花特异化途径提供了新的见解
为了进一步识别花器官发育的调控基因和通路，作者通过单细胞RNA-seq在小花的S1和S2阶段的DEGs的10个子簇中发现了2194个DEGs(图4a)。在小花亚簇5 (FM细胞)中，包括FLR1在内的信号转导基因在S1中高度上调，说明FLR1/OsFLS2 -RGB介导的免疫反应可能调节水稻FM活性。同样的，参与细胞生长的基因，如OsCCS52A1，在S2小花亚簇3(边界细胞)中表达上调，说明小花亚簇3在器官分化中的作用。此外，参与诸如DNA甲基化和组蛋白修饰的表观遗传调控的基因也在小花细胞亚簇中富集，这说明在不同小花细胞类型中，随着细胞向生殖发育过渡过程中基因组水平也会发生变化。总之，各种活跃的组蛋白修饰和全面的从头DNA甲基化在水稻生殖发育中起着至关重要的作用。
5. 小花发育轨迹的重建揭示小花的器官特征
通过拟时序分析，作者进一步构建了小花发育的两条轨迹。此外，作者利用scRNA-seq重建小花发育过程的连续分化轨迹 (图4c,d)，来揭示小花器官发育特征。研究结果证明水稻“真正的”花是以SIC-FM-稃/叶蕊/雄蕊模式发育的，其器官与叶片不同，而外稃、退化颖片和不育外稃很可能是苞片样的器官，与花的中间叶/花器官相同。此外，通过原位结果验证，水稻最外层细胞特异性(ROC)/同源域平滑（HDG）家族基因高度富集的SIC细胞群处于SpM和FM的表皮层（L1），暗示花分生组织L1在花分生组织活性调控和后续发育中发挥重要功能，并由此提出ROC/HDG基因家族可能从FM的外层提供位置信号来激活水稻小穗和小花启动的假设(图4f)，这与拟南芥的研究结果一致。
6. 亚聚类揭示了三种不同的花序分生组织类型
然后，作者对生殖分生组织进行细胞类群的划分，将分生组织细胞簇分为花序分生组织、分枝分生组织和小穗分生组织三类。每一种分生组织类型都包含来自多个亚群的细胞，证实了生殖分生组织细胞的高度异质性。编码调控花序分枝的TF基因，包括WOX、OSH、ROC、SPL和YABBY成员，在每个子簇中表现出不同的表达模式。然而，每个分生组织子簇的具体特性仍有待进一步研究。此外，作者在研究中还发现参与表观遗传修饰途径的基因在SM中被特别激活，说明基因组调控和保护的变化伴随着分生组织过渡，可能为植物小花开放提供帮助。
7. 生殖分生组织的发育响应转录因子和植物激素信号接下来，作者先研究了水稻生殖分生组织的发育响应转录因子。在分生组织分化过程中，出现了四组基因，它们都包含各种已知的参与花序发育的TF(图5e)。其中，颈部叶子（NL1）的表达定位于被抑制的苞片细胞，这是一个具有分生组织特征的特化花序区，类似于小花区域，调节初级分枝和小穗数，这里作者将分生组织亚簇4和6分类为抑制苞片细胞(图5a,b)。
此外，作者还研究了生殖分生组织的植物激素信号，其中，编码植物激素信号通路成分的基因，包括CK、生长素、油菜素内酯和GA，也在两个分化轨迹上以离散模式存在。
8. OsAUX1促进初级枝伸长和小穗萌发
生长素是调节拟南芥、玉米等分生组织起始的最重要的植物激素之一，但很少有直接的遗传证据表明其在水稻花序发育中的作用。在此研究中，作者在花序簇和分生组织亚簇中检测了生长素生物合成、运输和信号转导相关基因的表达(图6a)。基因编码生长素反应型TF和生长素受体在花序簇和分生组织亚簇中表达模式相似。生长素氧化双加氧酶(DAO)参与生长素分解代谢，在IM簇和分生组织亚簇中特异性表达，生长素流入转运蛋白OsAUX1在花序簇15、分生组织亚簇7和分生组织亚簇10中显著富集(图6a,b)。接下来，作者进一步研究了OsAUX1在花序发育中的作用。
OsAUX1可以促进初级根和根毛在磷酸盐和镉胁迫下的伸长，但其在花序发育中的作用尚不清楚。原位杂交实验证实，OsAUX1在BM和SMs中表达(图6e)，这与scRNA-seq分析一致(图6b)。经过基因编辑的突变体Osaux1-1;4和转移DNA插入突变体Osaux1-1;1和Osaux1-1;3都产生了更短的花序，较少的分枝和小穗(图6f, g)。这些结果表明，在水稻花序发育过程中，OsAUX1在分生组织的决定中起着关键作用。
9. OsMAPK6 和 OsGASR1的动态分布模式决定了花序结构
为了进一步验证对细胞类型的分类和注释，作者分析了OsMAPK6的动态表达。OsMAPK6是OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6通路中的一个关键成员，它不仅可以调节CK的内稳态，还可以调节种子的大小和数量。尽管OsMAPK6在所有16个花序簇中都有表达(图7a)，但其时空分布模式在分生组织和小花亚簇中发生了变化(图7b)。与scRNA-seq的结果一致，来自OsMAPK6pro-eGFP标记系的荧光可以在所有花序组织中检测到(图7c)，这说明其在分生组织活性中发挥重要作用。此外，GFP信号也在所有的小穗器官中被检测到，在叶顶和小叶原基中表达较强(图7d)。
接下来，作者还构建了OsGASR1pro-eGFP标记系，以监测水稻花序发育过程中GA的响应。与scRNA-seq结果相比(图7e)，在水稻早期生殖发育过程中也观察到高度动态的GA信号，在ePBM和SBM中低表达，而在SM中高表达(图7f)。此外，在原始颖片和SIC中也观察到较高的OsGASR1pro-eGFP信号（图7g）。综上所述，这些结果提供了植物激素梯度调节花序模式的细胞证据，scRNA-seq数据提供了一个全面、可靠的参与水稻早期花序发育的基因表达的细胞图谱。
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