对植物的叶片具有非常重要的功能，通过光合作用和呼吸作用保证植物的代谢，通过蒸腾作用提供根系从外界吸收水和矿质营养的动力。受实验技术和Markers的限制，目前植物单细胞的研究更多集中于根，但随着原生质体制备难题的突破，植物叶片的单细胞研究逐渐增多，目前已有多篇植物单细胞文章发表于Developmental Cell、Molecular Plant、Plant Biotechnology Journal等高水平期刊上。
一、构建细胞图谱
植物叶是由不同形态且具有特定功能的细胞构成，不同细胞类型的基因表达模式存在差异。通过单细胞转录组测序构建植物叶的细胞图谱，使我们能深入了解植物叶中细胞类型的组成，获取每个细胞独特的转录本信息，从而鉴别细胞身份和功能。
1.案例一
2020年6月在Molecular Plant 期刊上发表的文章[1]中，研究人员以5日龄拟南芥幼苗子叶为材料进行单细胞转录组测序，共获得12844个细胞，通过细胞聚类及注释分析，将这些细胞划分为11个不同的细胞簇，包括与气孔发育相对应的细胞簇，如分生组织母细胞（MMCs）、保卫母细胞（GMCs）、扁平细胞（PC）、叶肉细胞（MPCs）和保卫细胞（GCs）等。
图1 拟南芥叶单细胞图谱（图片引自文献[1]）
2.案例二
2021年6月在Plant Biotechnology Journal期刊上发表的文章[2]中，研究人员以7日龄花生幼苗叶片为材料进行单细胞转录组测序，共获得6815个细胞，构建了第一张花生单细胞基因表达图谱，通过细胞聚类及注释分析，将这些细胞划分为8个主要的细胞簇，包括栅栏叶肉细胞、海绵叶肉细胞、表皮细胞、原基细胞、韧皮部细胞、管束鞘细胞、薄壁细胞和气孔保卫细胞。通过构建细胞图谱，说明植物叶片是由高度异质的细胞组成的。
图2 花生叶单细胞图谱（图片引自文献[2]）
二、细胞亚群细分
在植物器官发育研究中，粗略的细胞分群往往不能完整描绘细胞发育轨迹，亚细胞群会存在上下游的发育分化关系，可以更细致的解析细胞发育轨迹，因此细胞亚群的细分就显得尤为重要。
1.案例一
2021年5月在Plant Cell上发表的文章[3]中，研究人员以6周龄拟南芥成熟叶片为材料进行了单细胞转录组测序，以揭示叶韧皮部细胞的不同特性。对维管束细胞Cluster 4、Cluster10、Cluster18进行亚群细分，并根据富集基因确定亚群的细胞类型，分别为C4.1.1（XP1）、C4.1.2（XP2）、C4.2（BS2）C4.3（BS1）、C10.1.1（PCPP）、C10.1.2（PCXP）、C10.2（PP1）C18.1（PP2）和C18.2（XP3），细胞亚群的细分确定了维管束细胞XP-PCXP-PCPP-PP的细胞群，反映了维管束细胞潜在的发育轨迹。
图3 拟南芥束鞘细胞亚群分类（图片引自文献[3]）
2.案例二
2021年1月在The Plant Cell上发表的文章[4]中，研究人员以玉米叶片为材料进行了单细胞转录组测序，解析了玉米的束鞘分化，发现了束鞘细胞进一步被分为两个亚群，即远轴束鞘细胞（abBS）和近轴束鞘细胞（adBS），这两个亚群是背腹分化的，其中远轴的束鞘细胞分化为参与蔗糖韧皮部负荷的细胞。通过对细胞亚群的分析，可以为细胞发育轨迹提供有力的证据。
图4 玉米束鞘细胞亚群分类（图片引自文献[4]）
三、Marker基因鉴定
在多细胞生物中，细胞类型以及细胞特异性功能的产生在很大程度上源于细胞中不同基因的差异表达。在单细胞转录组数据分析过程中，主要通过差异分析鉴定出某个细胞亚群的特征性基因，再结合Marker基因鉴定细胞类型。因此，新Marker基因的挖掘有助于深入阐明细胞异质性, 并且对于识别植物发育过程中未知细胞类型的细胞群体是非常关键的。
例如，2020年6月在Molecular Plant期刊上发表的文章[1]中，研究人员以5日龄拟南芥幼苗子叶为材料进行了单细胞转录组测序，利用几个已知的参与调控气孔谱系细胞发育的Marker基因对鉴定的细胞类型进行验证，发现FAMA、TMM、HIC和SCRM等在特定细胞类型中特异性表达，而其他标记基因在特定的细胞类型中没有特异性表达，从而鉴定了气孔谱系细胞发育过程中不同细胞群的新Marker，为进一步探究气孔谱系细胞发育的潜在调控因子，分析不同细胞类群中的基因表达谱奠定了基础。
图5 拟南芥气孔谱系Marker基因（图片引自文献[1]）
四、发育轨迹研究
细胞分群本质上是将植物的发育定性为非连续的过程，但机体或器官的发育过程应该是连续的过程并且交错复杂的，通过分析植物叶片细胞随时间的分化路径，可以了解其动态发育过程。拟时序分析是指根据细胞之间表达模式的相似性对单细胞沿着轨迹进行排序，以此推断出发育过程中细胞的分化轨迹或细胞亚型的演化过程。
例如，2021年6月在Plant Biotechnology Journal期刊上发表的文章[2]中，研究人员以花生叶片为材料进行了单细胞转录组测序，不仅揭示了花生叶片细胞的异质性，还重建了花生叶片的发育轨迹，在主茎附近发现了4个小分枝，不同的亚群细胞显示出细胞分化的主要途径的时间异质性。此外，拟时序分析揭示了10个关键的标记基因，可以用来将所有单个细胞划分为叶细胞发育和分化的9个状态。
图6 花生叶细胞发育轨迹（图片引自文献[2]）
五、基因调控网络分析
细胞转录状态的差异导致细胞异质性，转录因子主导的基因调控网络维持并稳定转录状态的特异性。对不同细胞类型的转录因子调控网络进行分析，可以了解植物叶片发育的调控机制。
2021年6月在Plant Biotechnology Journal期刊上发表的文章[2]中，通过对转录因子在不同细胞群中的表达水平的分析，发现与其他群相比，91个被鉴定的转录因子在海绵组织中有下调的趋势，这意味着转录抑制转录因子的表达可能决定花生植株叶片海绵细胞的分化状态。对拟南芥转录因子进行了同源互作网络分析，结果表明乙烯（ETH）和茉莉酸（JA）途径具有关键的特征，构成了以ERF4/6、WRKY40、MYC2和多个JAZ蛋白为核心的蛋白互作网络。
图7 转录因子同源互作网络分析（图片引自文献[2]）
六、胁迫响应机制研究
非生物胁迫是植物生长发育过程中的重要环境影响因素。通过单细胞转录组测序，探索不同处理条件下的细胞类型的组成变化，从而解析生物的胁迫反应机制，有利于我们了解单细胞水平上植物细胞和发育生物学的机理。
在2020年1月发表的文章[5]中，研究了高盐和低氮两种非生物胁迫条件下水稻的响应机制，首先研究了不同环境胁迫下细胞类型特异性差异基因表达，发现在低氮处理中表现差异表达的基因在高盐处理中也表现出差异表达，这意味着植物可能对不同的非生物胁迫做出反应，并采用调控网络的共同重组策略。之后研究了不同环境胁迫下细胞大小的改变，发现在高盐度条件下生长的植物显示出原基和表皮细胞的整体尺寸减小，这可能与渗透压增加导致细胞壁膨胀压降低有关，这些结果揭示了非生物胁迫下细胞类型特异性的大小变化。最后利用发育轨迹分析研究了不同环境胁迫下细胞群体成分的变化，发现在高盐和低氮条件下，叶肉细胞的发育被推迟，推迟叶肉细胞的发育不仅有利于水稻幼苗减少光合作用的能量消耗，而且有利于提高水稻幼苗对恶劣环境的抗性。
图8 非生物胁迫条件下差异基因表达、细胞大小及发育轨迹（图片引自文献[5]）
七、植物叶片单细胞研究思路总结
图9 植物叶片单细胞研究思路
目前植物叶片的单细胞研究已经在拟南芥、花生和水稻中开展，一般会重点关注叶肉细胞和气孔相关细胞，去揭示叶肉细胞及气孔谱系细胞的发育调控机制。研究思路为通过细胞聚类分群、感兴趣的细胞亚群细分、鉴定marker基因、研究发育轨迹和基因调控网络等分析，构建物种叶片的单细胞图谱，解析细胞发育及其调控机制，同时对非生物胁迫环境下植物叶的响应机制进行探究。相信随着实验和分析层面一些技术难题的突破，在未来的研究中，对其他细胞类型实现更加深入的解析，开展更多非模式物种的研究，实现更多marker基因的挖掘和验证，开展单细胞多组学分析从多维角度解析植物细胞发育机制等会成为热点方向。植物单细胞领域从兴起开始就展现出蓬勃发展的强劲动力，未来一定会掀起植物转录组研究的重大革命！
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