最近，DeepSeek如同一匹黑馬，儼然成為科研圈的熱搜王！不過，小編更關心的是，DeepSeek能為我們的科研工作帶來哪些全新啟發(fā)，是否能夠幫助我們開拓研究思路、優(yōu)化方案設計，大幅提升效率呢？為了滿足好奇心，小編親身去“探”了探，體驗感up！夠新穎，夠智能，關鍵是很對科研人的胃口。
近年來，光合作用作為植物生命活動的核心環(huán)節(jié)，與糧食安全、能源開發(fā)及氣候變化等全球性挑戰(zhàn)密切相關，備受科學界和行業(yè)的高度關注。時空組學技術是近年來比較火熱的技術之一，在植物領域的應用廣泛且深入，該技術通過同時獲取細胞的空間位置信息和基因表達數據，為理解植物組織生長發(fā)育、生理生化、抗逆應激、生物進化等多個方面提供了重要的研究手段。
于是，我問DeepSeek：植物如何利用時空組學進行光合作用研究？
植物利用時空組學（Spatio-Temporomics）研究光合作用，主要通過整合空間組學（空間分辨的分子數據）和時間組學（動態(tài)變化的分子數據），揭示光合作用相關基因、蛋白質、代謝物等在時間和空間上的協(xié)同調控機制。以下是具體研究方向和技術的應用：1.空間組學解析光合作用的細胞/組織異質性
- 空間轉錄組學：
利用單細胞或空間分辨轉錄組技術（如10x Genomics Visium、MERFISH），定位光合作用相關基因（如編碼光系統(tǒng)蛋白的基因、卡爾文循環(huán)酶基因）在葉片不同細胞類型（葉肉細胞、維管束鞘細胞）或不同組織區(qū)域的表達差異。例如，C4植物中光合基因在葉肉細胞和維管束鞘細胞中的空間特異性表達。
- 空間蛋白質組學：
通過質譜成像（MALDI-MSI）或熒光標記技術，研究光合作用關鍵蛋白（如Rubisco、PSII復合體）在葉綠體基質、類囊體膜等亞細胞結構中的分布，以及光強變化對蛋白定位的影響。
- 空間代謝組學：
分析光合中間產物（如ATP、NADPH、蔗糖）在葉片不同區(qū)域的動態(tài)積累，揭示光合同化產物（如淀粉、糖）的運輸與分配機制。
2.時間組學揭示光合作用的動態(tài)調控
- 晝夜節(jié)律與光響應：
通過時間序列轉錄組、蛋白質組數據，研究光合作用基因（如LHCB、PIFs）在晝夜周期中的表達波動，以及光信號（如紅光、藍光）如何通過生物鐘調控光合效率。
- 發(fā)育階段動態(tài)：
比較幼苗、成熟葉、衰老葉中光合相關基因的時序表達模式，揭示葉綠體發(fā)育（如原質體分化）和衰老過程中光合能力的動態(tài)變化。
- 環(huán)境脅迫響應：
分析高溫、干旱或高光脅迫下，植物光合作用相關基因和代謝物的短期（分鐘級）和長期（數天）響應，例如光保護機制（非光化學淬滅，NPQ）的動態(tài)調控。
3.時空整合解析光合作用的協(xié)同網絡
- 多組學整合：
結合空間轉錄組、蛋白質組和代謝組數據，構建光合作用基因-酶-代謝物的時空調控網絡。例如，光合同化產物（如蔗糖）的輸出如何與維管組織發(fā)育相關聯。
- 細胞間通訊研究：
利用空間組學數據，分析葉肉細胞與維管束鞘細胞之間的代謝物交換（如C4植物的CO2濃縮機制），或共生微生物（如固氮菌）如何影響宿主光合作用。
- 3D時空建模：
通過計算模型模擬葉片中光梯度、CO2擴散與光合基因表達的空間耦合關系，預測最優(yōu)光合效率的葉片結構。
4.應用場景與案例
- C3與C4植物比較：
時空組學可揭示C4植物光合細胞分工（Kranz結構）的進化機制，例如PEP羧化酶在維管束鞘細胞中的特異性表達。
- 作物改良：
通過篩選光合效率時空差異的基因（如調控氣孔開閉的基因），設計高光效作物品種。
- 極端環(huán)境適應：
研究荒漠植物（如仙人掌）如何在干旱條件下時空調控光合相關基因，減少水分流失。
5.技術挑戰(zhàn)與未來方向
- 技術限制：
當前空間組學分辨率（單細胞/亞細胞級別）和通量仍需提升，尤其是葉綠體內分子動態(tài)的實時監(jiān)測。
- C3與C4植物比較：
跨尺度（分子-細胞-組織）和多組學數據的整合分析需要更強大的算法支持。
- 活體動態(tài)監(jiān)測：
開發(fā)非侵入式成像技術（如熒光報告系統(tǒng)），實時追蹤光合作用相關分子的時空動態(tài)。
DeepSeek提到的當前空間組學分辨率（單細胞/亞細胞級別）和通量的限制，百邁客生物已經進行了優(yōu)化提升，推出了百創(chuàng)S3000空間轉錄組芯片（捕獲區(qū)面積：6.8*6.8mm2，相鄰兩個捕獲位點的中心距為3.5μm）。該芯片具有高基因捕獲效率，搭配植物多尺度細胞分割技術，部分植物組織單個細胞中位基因數可達1000+，基因捕獲能力媲美單細胞測序。
關于應用方向場景案例，DeepSeek究竟說的對不對？
我們還需要結合已發(fā)表的文獻看一看，于是小編又下載盤點了7篇植物光合作用方向的時空組學文章，這些成果發(fā)表期刊有Nature(IF=50.5)與預印本系統(tǒng)bioRxiv。研究的物種涉及水稻、高粱、玉米、狗尾草、黍、冰葉日中花、Urochloa fusca、堇娘芥等，涉及組織部位主要是幼苗葉片、葉原基等。
接下來，我們一起來看看植物光合作用方向的時空組學應用進展吧！
1.祖先細胞身份網絡的擴展驅動C4光合作用的進化
英文標題：Exaptation of ancestral cell-identity networks enables C4?photosynthesis發(fā)表期刊：Nature
影響因子：50.5
物種樣本：水稻（Oryza sativa，C3植物）、高粱（Sorghum bicolor，C4植物）
測序策略：單細胞核RNA測序、單細胞核多組學測序、高分辨率sci-RNA-seq3技術
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08204-3
發(fā)表時間：2024.11.20
取樣策略：
單細胞核轉錄組：水稻和高粱幼苗暗生長5天后，在光周期（12h光/12h暗）中采集0h（暗）、0.5h、1h、2h、4h、6h、8h、12h、48h共9個時間點的地上組織?？傆嬎?90,569個核、高粱265,701個核。
圖1-水稻和高粱單細胞測序取樣過程示意圖
① 地球上大多數高產植物通過C4途徑進行光合作用，相較于原始的C3途徑，C4途徑的光合效率提高了50%。維管束鞘細胞在激活光合作用中扮演了關鍵角色。然而，維管束鞘細胞如何執(zhí)行光合調控功能尚不明確。
② 該研究通過單細胞RNA測序(sc-RNAseq)和單細胞轉座酶可及性染色質測序(sc-ATACseq)，揭示了C4葉片中維管束鞘細胞基因表達的變化與C3葉片中已知的順式調控元件相關。研究發(fā)現，在C3植物水稻和C4植物高粱中，DOF motif在維管束鞘細胞中定位，并能調控光合作用的發(fā)展。在高粱中，大多數受光合作用調控的高表達基因都受到DOF motif的調控。這些轉錄因子在不同細胞間穩(wěn)定表達，并能在C3和C4植物葉片的維管束鞘細胞中激活光合作用。
③ 該研究結果為理解復雜的C4途徑進化提供了分子層面的見解，并為指導C3和C4作物的生長發(fā)育提供了理論基礎。
圖2-水稻和高粱幼苗去黃化過程中單細胞核的基因表達和染色質可及性
2.禾本科植物單細胞分辨率下C3與C4光合作用順式調控基礎研究
英文標題：Investigating the cis-Regulatory Basis of?C3?and?C4?Photosynthesis in Grasses at Single-Cell Resolution發(fā)表期刊：bioRxiv
物種樣本：C4植物：玉米（Zea mays，NADP-ME型）、高粱（Sorghum bicolor，NADP-ME型）、黍（Panicum miliaceum，NAD-ME型）、Browntop Signalgrass（Urochloa fusca，PEPCK型）；對照C3植物：水稻（Oryza sativa）
測序策略：sciATAC-seq
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.01.05.574340
發(fā)布時間：2024.01.05
取樣策略：
發(fā)育階段：C4物種取第三葉展開期葉片，C3水稻取18天齡葉片；
技術重復：每個物種設置生物學重復，總計玉米16,060核、高粱15,301核、黍7,081核、Browntop Signalgrass共19,110核、水稻5,952核。
① 盡管關于C4光合作用關鍵酶的研究已經有了相當多的認識，但對于在特定細胞類型中指定其表達的重要順式調控機制（cis-regulation）的了解卻少之又少。
② 該研究使用單細胞sci-ATAC-seq來鑒定與C4酶相關的特異細胞類型的可及染色質區(qū)域（ACRs），研究涵蓋了五種不同的禾本科植物，包括四種C4植物和一種C3植物。其中，C4植物分屬三種不同的光合亞型：玉米（Zea mays）和高粱（Sorghum bicolor）屬于NADP-ME亞型；黍（Panicum miliaceum）屬于NAD-ME亞型；Urochloa fusca屬于PEPCK亞型；C3植物水稻（Oryza sativa）
③ 該研究繪制了所有C4植物中必需酶和各C4亞型特有酶的cis-調控圖譜，并使用染色質可及性數據測量C4酶的特定細胞類型偏好。將這些數據與系統(tǒng)發(fā)育學相結合，揭示了物種間基因家族成員的多樣化共選擇，展示了C4進化的不同路徑。除了啟動子近端ACRs，研究發(fā)現C4基因平均每個都有兩到三個遠端特異性細胞類型的ACRs，這突出了C4進化的復雜性和多樣性。在研究這些特異性細胞類型ACRs的進化歷史時，發(fā)現即使在密切相關的物種中，也存在從保守到新穎的ACRs光譜，表明這些C4位點的順式調控正在持續(xù)進化。
④ 該研究揭示了C4光合作用關鍵基因位點的順式調控進化動態(tài)和復雜性，尤其強調了這些位點的精細化順式調控進化。研究成果為未來進一步探索提供了重要資源，可能有助于在氣候變化條件下優(yōu)化C3作物的性能。
圖3-在單細胞分辨率下對不同作物的細胞類型注釋
3.單細胞分辨率下冰葉日中花CAM誘導的葉肉特異性晝夜動態(tài)
英文標題：Mesophyll-Specific Circadian Dynamics of CAM Induction in the Ice Plant Unveiled by Single-Cell Transcriptomics發(fā)表期刊：bioRxiv
物種樣本：冰葉日中花（Mesembryanthemum crystallinum，兼性CAM植物）
測序策略：單細胞核RNA測序、Iso-Seq全長轉錄組測序、基因組組裝
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.01.05.574430
發(fā)布時間：2024.01.05
取樣策略：
處理條件：鹽脅迫組：5周齡植株經0.5M NaCl處理8天；
對照組：正常灌溉植株；
時間點：光周期（12h光/12h暗）中采集黎明（Dawn）和黃昏（Dusk）樣本，鹽處理組與對照組各取2個時間點，共4組樣本的葉片；
單細胞核測序：共獲取17,994個高質量核，注釋17個細胞簇，覆蓋葉肉（海綿/柵欄）、表皮、保衛(wèi)細胞、木質部、韌皮部等
① 景天酸代謝（Crassulacean acid metabolism, CAM）是C3光合作用二氧化碳固定途徑的一個進化改良形式，大約有7%的陸生植物通過這種方式適應干旱環(huán)境?？烧T導型CAM植物，例如冰葉日中花（Mesembryanthemum crystallinum，普通冰草），擁有一種獨特的能力，能夠在高鹽度和水分不足的脅迫下從C3光合作用切換到CAM光合作用。
② 該研究通過單核RNA測序（snRNA-seq），結合一個全新高質量組裝和注釋的基因組，對冰草從C3到CAM的環(huán)境誘導轉變進行了表征，以識別其潛在的調控因子。針對在黎明和黃昏采集的冰草葉片在C3和CAM切換過程中單核RNA測序數據的分析，揭示了在CAM誘導初期葉肉細胞中存在顯著的轉錄變化。
③ 值得注意的是，該研究發(fā)現標明了黃昏時參與CAM或C3光合作用的不同葉肉亞細胞類型。細胞軌跡推斷分析重建了全天候（24小時）的CAM和C3周期，直接比較了兩條途徑中的基因表達譜。這項對比研究揭示了CAM和C3細胞軌跡中關鍵晝夜節(jié)律基因的不同表達模式，表明晝夜節(jié)律調控與CAM的誘導之間存在聯系。
圖4-所有四個snRNAseq數據集的UMAP聚類
4.植物細胞類型特異性順式調節(jié)元件的進化
英文標題：Evolution of plant cell-type-specific?cis-regulatory elements發(fā)表期刊：bioRxiv
物種樣本：核心物種：水稻（Oryza sativa，C3植物）
比較物種：玉米（Zea mays）、高粱（Sorghum bicolor）、黍（Panicum miliaceum）、Urochloa fusca
測序策略：單細胞ATAC測序、空間轉錄組學（Slide-Seq V2）、Iso-Seq全長轉錄組測序
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.01.08.574753
發(fā)布時間：2024.01.08
取樣策略：
單細胞ATAC測序：水稻：葉、根、種子、穗等9個器官；發(fā)育階段：葉原基（P3-P6）、成熟葉（V4階段）；其他物種：玉米、高粱、黍、Browntop Signalgrass
空間轉錄組：水稻根
① Cis調控元件（Cis-regulatory elements, CREs）在基因表達調控中至關重要，但其進化機制的理解仍然具有挑戰(zhàn)性。
② 該研究構建了一個全面的水稻（Oryza sativa）染色質可及性單細胞圖譜，整合了來自103,911個細胞核、代表126種離散細胞狀態(tài)的九個不同器官的數據。通過比較基因組學，分析了水稻與另外四種禾本科植物（玉米?Zea mays、高粱?Sorghum bicolor、黍?Panicum miliaceum?和?Urochloa fusca）中57,552個細胞核的細胞類型分辨染色質可及性之間的差異。
③ 研究發(fā)現，可及染色質區(qū)域（Accessible Chromatin Regions, ACRs）的保守性水平因細胞類型特異性程度的不同而有所區(qū)別。還發(fā)現ACRs、保守的非編碼序列、細胞類型特異性、保守性和組織特異性切換之間存在復雜關系。此外，該研究發(fā)現表皮ACRs相比于其他細胞類型的ACRs保守性較低，這可能表明這些物種的L1來源的表皮層經歷了更快速的調控進化。最后，研究人員鑒定并表征了一組與抑制性組蛋白修飾H3K27me3重疊的保守ACRs，這表明它們可能是由進化保留下來的類沉默子CREs。
④ 總體而言，這種比較基因組學方法揭示了植物細胞類型特異性CRE進化的動態(tài)特征。
圖5-利用scATAC-seq數據鑒定水稻的細胞類型和表征ACRs
5.玉米葉原基單細胞轉錄組圖譜揭示Kranz解剖結構調控機制
英文標題：Single-cell?resolved?differentiation?of?pre-Kranz?anatomy?in?maize?leaf?primordia發(fā)表期刊：bioRxiv
物種樣本：玉米（Zea mays?B73）、水稻（Oryza sativa Nipponbare）
測序策略：單細胞核轉錄組、bulk-RNA seq
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.07.10.602848
發(fā)布時間：2024.07.14
取樣策略：
從玉米葉原基：P3-P6原基分段取樣（M3tip、M3middle、M3base；M2top、M2base）、3-4 mm P4原基單細胞核分離；水稻葉片原基：5 mm原基分段取樣（R3tip、R3middle、R3base）
① 典型的C4植物如玉米，具有高度優(yōu)化的Kranz型葉片結構，其中特定的花環(huán)狀結構由圍繞葉脈緊密排列的葉肉細胞和維管束鞘細胞組成。
② 該研究區(qū)分了早期葉原基中維管發(fā)育的活躍區(qū)域，并通過分段的玉米和水稻葉原基的比較轉錄組學分析，識別出可能參與早期Kranz發(fā)育的基因群。利用單細胞核RNA測序（snRNA-seq），進一步探討了單個玉米葉原基中的細胞異質性和發(fā)育軌跡。借助原位雜交技術，識別了mGM和原形成層的細胞簇，候選標記基因顯示出不同但相互關聯的表達模式。維管標記基因ZmSHR1的定位先于ZmEREB161和ZmEREB114，這兩者在原形成層的起始階段表達。
③ 該研究描繪了從發(fā)展中的玉米原基尖端向下的潛在維管束鞘細胞亞群和不同層次的葉肉細胞。
④ 綜上所述，該研究識別出潛在源自mGM或定位于原形成層的Kranz調控因子，并提供了在亞原基和單細胞分辨率下研究玉米和水稻葉脈發(fā)育的資源。
圖6-玉米P4葉原基的細胞異質性
6.C4草本植物Kranz解剖結構形成過程中預存調控網絡的重編程
英文標題：Comparative spatiotemporal single cell transcriptomes reveal rewiring of pre-existing regulations during emergence of Kranz anatomy in C4?grasses發(fā)表期刊：bioRxiv
物種樣本：玉米（Zea mays）、高粱（Sorghum bicolor）、狗尾草（Setaria viridis）、水稻（Oryza sativa）
測序策略：單細胞核轉錄組、高分辨率空間轉錄組
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.10.28.620769
發(fā)布時間：2024.10.28
取樣策略：
單細胞核&空間轉錄組：12日齡玉米幼苗基部莖段葉原基（P3-P6），通過Cellpose 2.0識別細胞壁輪廓，提取14,037個空間單細胞轉錄組
① 世界上許多高產的糧食作物和生物能源作物都采用C4光合作用，這種光合作用通過基于Kranz解剖結構的CO2濃縮機制實現了高光合效率。
② 該研究通過比較轉錄組學的方法，結合玉米（Zea mays）葉原基的單細胞空間轉錄組數據，以及三種C4植物（玉米、高粱、狗尾草）和一種C3植物（水稻）對應葉組織的單細胞RNA測序（scRNA-seq）圖譜，研究了Kranz解剖結構發(fā)育和演化過程中涉及的調控網絡。
③ 研究表明，Kranz解剖結構的形成涉及對現有調控模塊的廣泛招募和改造，特別是SHR-SCR模塊和生長素信號通路。研究還發(fā)現，INDETERMINATE DOMAIN（IDD）家族轉錄因子（如IDD7和IDDP1）在這些模塊的改造中發(fā)揮了重要作用。這種對現有基因調控程序的廣泛招募和改造，是C4光合作用在演化過程中反復出現的基礎機制。
圖7-玉米葉原基的空間轉錄組研究
7.C3-C4中間型十字花科植物維管束鞘細胞在光呼吸穿梭中的功能
英文標題：Single-nuclei sequencing of Moricandia arvensis reveals bundle sheath cell function in the photorespiratory shuttle of?C3-C4?intermediate Brassicaceae發(fā)表期刊：bioRxiv
物種樣本：C3-C4?中間型植物：堇娘芥（Moricandia arvensis）
測序策略：單細胞核轉錄組
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.12.02.626447
發(fā)布時間：2024.12.02
取樣策略：
單細胞核轉錄組：取5-6葉期堇娘芥幼苗的第五、第六葉片（距地面5mm處）
公共數據：擬南芥葉片單細胞測序數據
幼年期：0、1、2、3、4周；成年期：6、8、12周；老年期：6月、1年、2年。
① 基因表達的空間限制決定了細胞身份，并且是復雜植物性狀的基礎。在從C3光合作用向更高效的C4光合作用的進化過程中，將甘氨酸脫羧酶反應限制在維管束鞘細胞內，通過光呼吸甘氨酸穿梭啟動了碳濃縮機制。通常認為，這一進化步驟在從祖先的C3光合作用向C4光合作用的過渡中起到了重要作用。執(zhí)行這一穿梭機制的植物通常被稱為C3-C4中間型植物或C2植物。在十字花科（Brassicaceae）家族中，這類植物至少獨立進化了五次。然而，關于十字花科C3-C4中間型植物的生物化學研究僅限于少數關于葉肉細胞與維管束鞘細胞之間差異定位蛋白的案例研究。
② 該研究利用最近在單細胞轉錄組測序方面的進展，更好地理解新的細胞特化如何影響相互關聯的途徑。研究人員為具有C3-C4中間特征的堇娘芥（Moricandia arvensis）生成了單細胞核RNA測序數據集，并將其與公開可用的C3擬南芥（Arabidopsis thaliana）葉組織的單細胞轉錄組進行了比較，還通過免疫金標記技術結合電子顯微鏡獨立驗證了選定光呼吸蛋白的定位。
③ 該研究分析揭示了與光呼吸甘氨酸脫羧酶反應直接相關的基因表達的變化，同時也包括相關途徑的基因表達轉移，例如銨的同化、特定氨基酸的合成、氧化還原調節(jié)和對M. arvensis維管束鞘的轉運。相比之下，在C4植物中，這些基因的表達并未局限于這一細胞類型。
圖8-堇娘芥葉片單細胞圖譜
根據上述文獻，可以總結出應用時空組學解析植物光合作用機制常用思路的技術路線圖。
京公網安備 11011302003368號