DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-08941-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40307555
تاريخ النشر: 2025-04-30
المؤلف: Mingyuan Zhu وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم النسخ الجيني أحادي الخلية والمكاني
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام خط الأرز Xkitaake، الذي تم تحويله بجين XA21، جنبًا إلى جنب مع خط Kitaake غير المحوّر للتحقيق في اتجاهات التعبير الجيني من خلال تسلسل RNA أحادي الخلية (scRNA-seq). خضعت بذور الأرز لعملية تعقيم صارمة وتم إنباتها في ظروف محكومة قبل نقلها إلى بيئات نمو قائمة على الجل أو التربة. كانت التربة المستخدمة هي تربة Wedowee الرملية، المعدة بكثافات حجمية محددة (1.2 غرام/سم³ لغير المضغوطة و1.6 غرام/سم³ للمضغوطة) لمحاكاة ظروف نمو مختلفة. تم زراعة الشتلات المنبتة في ميسوكوزم وتم الحفاظ عليها في غرفة نمو تحت ضوء ودرجة حرارة ثابتة حتى الحصاد.
لتحليل RNA، تم جمع مقاطع الجذور من مناطق تطورية مختلفة ومعالجتها لتسلسل RNA الكمي باستخدام طريقة تحضير مكتبة Lexogen QuantSeq. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء scRNA-seq على البروتوبلاستات المشتقة من الشتلات المزروعة في الجل والتربة، مع إجراء تعديلات محددة لتحسين إنتاج البروتوبلاست. تضمنت عملية البروتوبلاست هضم إنزيمي وغسل دقيق لتقليل الحطام، على الرغم من أنه من المحتمل فقدان بعض خلايا البشرة، مما قد يؤثر على نسب أنواع الخلايا. تم إعداد التعليق الخلوي النهائي لإنتاج القطرات باستخدام نظام 10X Genomics Chromium، بهدف التقاط عدد مستهدف من الخلايا لتحليل شامل للتعبير الجيني.
نقاش
في هذه الدراسة، تم إنشاء أطلس شامل لتسلسل RNA أحادي الخلية (scRNA-seq) لجذور الأرز الأولية، متكاملاً مع أكثر من 79,000 خلية عالية الجودة من البروتوبلاستات للشتلات المزروعة في ظروف الجل والتربة. استخدمت الأبحاث منصة 10X Genomics وخط أنابيب المعالجة المسبقة COPILOT لضمان جودة بيانات قوية. لمعالجة تأثير البروتوبلاست على التعبير الجيني، تم تحديد الجينات المستحثة بواسطة البروتوبلاست واستبعادها من التحليلات. تم تعيين تعليقات تطورية لأنواع الخلايا الرئيسية من خلال ربط بيانات scRNA-seq مع ملفات RNA الكمي من مقاطع الجذور المقطوعة، مما يعزز دقة تحديد مراحل التطور. سمح التكامل التكراري لـ scRNA-seq وعلم النسخ المكاني بالتحقق من أكثر من 40 علامة محددة لنوع الخلايا وكشف أنماط التعبير الجيني الديناميكية، خاصة في تمايز شعر الجذر.
استكشفت التحليلات أيضًا تأثيرات ظروف نمو التربة على التعبير الجيني، كاشفة عن تغييرات كبيرة في أنواع خلايا الجذر الخارجية مقارنةً بظروف الجل. تم تحديد ما مجموعه 11,259 جينًا معبرًا عنه بشكل مختلف (DEGs)، مع تركيز ملحوظ على استقلاب المغذيات وسلامة جدار الخلية في الأنسجة الخارجية. أبرزت الدراسة أن الجذور تتكيف مع بيئات التربة من خلال تعديل التعبير الجيني المتعلق بامتصاص المغذيات واستجابات الدفاع، خاصة في الطبقات الخلوية الخارجية. بالإضافة إلى ذلك، تحت ضغط ضغط التربة، لوحظت تغييرات مميزة في التعبير الجيني، خاصة في الإكسوديرميس والإندوديرميس، مع زيادة تنظيم الجينات المرتبطة باستقلاب جدار الخلية واستجابات حمض الأبسيسيك (ABA). يشير هذا إلى استجابة خلوية منسقة للإجهاد الميكانيكي، مما يبرز دور ABA في تنظيم تشكيل الحواجز للتخفيف من فقدان الماء وتعزيز مرونة الجذر في ظروف التربة الصعبة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-08941-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40307555
Publication Date: 2025-04-30
Author(s): Mingyuan Zhu et al.
Primary Topic: Single-cell and spatial transcriptomics
Methods
In this study, the rice line Xkitaake, transformed with the XA21 gene, was utilized alongside the non-transgenic Kitaake line to investigate gene expression trends through single-cell RNA sequencing (scRNA-seq). The rice seeds underwent a rigorous sterilization process and were germinated in controlled conditions before being transferred to either gel-based or soil-based growth environments. The soil used was Wedowee sandy loam, prepared to specific bulk densities (1.2 g/cm³ for non-compacted and 1.6 g/cm³ for compacted) to simulate different growth conditions. Germinated seedlings were planted in mesocosms and maintained in a growth chamber under constant light and temperature until harvesting.
For RNA profiling, root sections from various developmental zones were collected and processed for bulk RNA-seq using the Lexogen QuantSeq library preparation method. Additionally, scRNA-seq was performed on protoplasts derived from both gel-grown and soil-grown seedlings, with specific adjustments made to optimize protoplast yield. The protoplasting procedure involved enzymatic digestion and careful washing to minimize debris, although some epidermal cells were likely lost, potentially affecting cell type proportions. The final cell suspensions were prepared for droplet production using the 10X Genomics Chromium system, aiming to capture a targeted number of cells for comprehensive gene expression analysis.
Discussion
In this study, a comprehensive single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) atlas of rice primary roots was constructed, integrating over 79,000 high-quality cells from protoplasts of seedlings grown in gel and soil conditions. The research utilized the 10X Genomics platform and the COPILOT preprocessing pipeline to ensure robust data quality. To address the impact of protoplasting on gene expression, protoplasting-induced genes were identified and excluded from analyses. Developmental annotations were assigned to major cell types by correlating scRNA-seq data with bulk RNA-seq profiles from dissected root segments, enhancing the accuracy of developmental stage identification. The iterative integration of scRNA-seq and spatial transcriptomics allowed for the validation of over 40 cell type-specific markers and revealed dynamic gene expression patterns, particularly in root hair differentiation.
The analysis further explored the effects of soil growth conditions on gene expression, revealing significant alterations in outer root cell types compared to gel conditions. A total of 11,259 differentially expressed genes (DEGs) were identified, with a notable focus on nutrient metabolism and cell wall integrity in outer tissues. The study highlighted that roots adapt to soil environments by modulating gene expression related to nutrient uptake and defense responses, particularly in outer cell layers. Additionally, under soil compaction stress, distinct gene expression changes were observed, particularly in the exodermis and endodermis, with upregulation of genes associated with cell wall metabolism and abscisic acid (ABA) responses. This indicates a coordinated cellular response to mechanical stress, emphasizing the role of ABA in regulating barrier formation to mitigate water loss and enhance root resilience in challenging soil conditions.