近日，南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物系教授翟繼先團(tuán)隊在《自然—通訊》發(fā)表最新研究。他們通過單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，繪制了單細(xì)胞水平的晝夜節(jié)律基因表達(dá)圖譜，揭示了擬南芥細(xì)胞類型特異性的晝夜節(jié)律基因表達(dá)模式，并鑒定出一個新型節(jié)律調(diào)控因子。
研究示意圖。南科大供圖
生物鐘作為植物內(nèi)源的計時機制，能幫助植物感知周期性變化的外界環(huán)境，以確保植物在適宜的時間執(zhí)行關(guān)鍵生理功能。近年來的研究表明，植物生物鐘在分子組成和功能調(diào)控方面表現(xiàn)出組織和細(xì)胞類型的特異性，這種異質(zhì)性使植物能夠更精準(zhǔn)地感知并響應(yīng)環(huán)境變化，從而優(yōu)化生長和生存策略。然而，傳統(tǒng)研究方法如整個組織測序或熒光素酶報告基因，難以高效的從單細(xì)胞水平的解析節(jié)律基因表達(dá)的差異。此外，植物細(xì)胞壁的存在更增加了單細(xì)胞分離的技術(shù)難度。
為在單細(xì)胞水平對晝夜節(jié)律基因表達(dá)模式進(jìn)行全面的分析，研究團(tuán)隊采用單細(xì)胞核RNA測序（snRNA- seq）在持續(xù)光照下對擬南芥幼苗實施兩套時序采樣：24小時內(nèi)每2小時一次的高分辨率“密集”采樣，以及延伸至48小時、每4小時一次的“長時”采樣。借助10x Genomics平臺測定逾20 萬個細(xì)胞核的轉(zhuǎn)錄組，團(tuán)隊構(gòu)建了擬南芥晝夜節(jié)律的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄圖譜，并剖析了核心生物鐘基因在不同細(xì)胞類型中的表達(dá)差異。
結(jié)果顯示，多數(shù)基因僅在特定細(xì)胞類型中呈現(xiàn)節(jié)律性表達(dá)，且地上與地下器官之間差異顯著。此外，不同細(xì)胞類群的振蕩基因比較揭示，四類葉肉細(xì)胞（S0、S1、S2、S7）的振蕩基因集合高度相似。對這些共享振蕩基因進(jìn)行成對相位分析發(fā)現(xiàn)，相較于S2與S7，S0與S1中的大部分基因的表達(dá)相位出現(xiàn)延遲，提示葉肉細(xì)胞內(nèi)部存在更為精細(xì)的生物鐘調(diào)控機制。
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，編碼晝夜節(jié)律調(diào)控因子的基因在多種細(xì)胞類型中呈同步振蕩，其中絕大部分為已知核心鐘基因?；趕nRNA- seq高時空分辨率數(shù)據(jù)，還鑒定到 ABF1 為新的節(jié)律調(diào)控因子，其過量表達(dá)顯著縮短晝夜節(jié)律周期。上述結(jié)果進(jìn)一步完善了植物生物鐘的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并為系統(tǒng)解析節(jié)律振蕩機制提供了新的分子切入點。
據(jù)介紹，該研究建立的擬南芥晝夜節(jié)律單細(xì)胞圖譜已整合在數(shù)據(jù)資源網(wǎng)站中，將為后續(xù)晝夜節(jié)律領(lǐng)域的相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支撐。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59424-8
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