10x单细胞ATAC测序助力绘制水稻根首个单细胞染色质可及性图谱
根系的发育和功能在植物适应环境的过程中起着核心作用。然而，定义根系发育和对环境胁迫反应的分子基础和调控方案在很大程度上仍然未知。单细胞转录调控为理解复杂组织中的细胞表型变异及其对内源性和环境刺激的反应提供了重要工具。在真核生物中，基因表达与开放染色质高度相关，这可以通过高通量测序（ATAC-seq）对转座酶可及染色质进行定位分析。近年来，ATAC-seq已被应用于多个真核生物物种，包括两种植物物种，即拟南芥和玉米。与染色质状态在基因表达中的重要作用相一致，这些研究确定了不同组织和细胞类型的不同染色质模式，并揭示了关键的调控序列，这些序列反过来可能与转录因子（TFs）相关。
2022年12月8日，来自中国农业科学院生物技术研究所谷晓峰研究员和德国海德堡大学的研究团队合作在BMC Biology发表了题为Chromatin accessibility illuminates single-cell regulatory dynamics of rice root tips的研究论文。该研究使用10x Genomics公司单细胞ATAC测序技术对正常和热胁迫条件下的水稻根尖细胞进行了分析，绘制了水稻根首个单细胞染色质可及性图谱，在单细胞分辨率下对水稻这一重要作物的调控动态进行了综合分析，为研究水稻根细胞类型的发育和功能提供了单细胞分辨率下染色质可及性的宝贵资源，对作物发育和环境刺激研究具有重要意义。
与玉米类似，水稻是世界上最重要的作物之一，研究者之前分析了两个品种的水稻根尖单细胞转录组，揭示了物种特有的表达程序。为了阐明对观察到的基因表达状态调节的机制，研究者通过scATAC-seq对水稻根尖46758个细胞核进行了分析，通过细胞类型特异性可及性染色质区域(ACRs)鉴定了几乎所有细胞类型，并利用这些ACR来探索水稻根系发育过程中染色质可及性的动态以及对环境变化的响应。研究人员还开发了水稻根的单细胞染色质可及性（SCAR）网站http://www.elabcaas.cn/scar/index.html可供免费使用。
通过单细胞ATAC-seq技术，研究者在水稻根中鉴定出9种细胞类型，有趣的是，并非所有细胞类群特异性ACRs都能映射到细胞类型标记基因。因此，研究者对一个基因进行了RNA原位杂交，该基因与差异可及性区域相关，并且没有先前的细胞类型特异性表达的证据。令人欣慰的是，LOC_Os04g53640在根冠中的mRNA检测与其在UMAP标记的根冠群中的富集表达一致。这表明，细胞类群特异性ACRs具有检测单细胞RNA-seq无法识别的差异表达基因的能力。
研究者采用整合拟南芥scRNA-seq和scATAC-seq数据集的方法，将水稻scATAC-seq数据与近期报道的scRNA-seq数据进行了整合并绘制了UMAP图，其可视化显示了在scRNA-seq和scATAC-seq之间匹配细胞类型的相似分布模式，这进一步支持了研究者的聚类注释。研究者还观察到非重叠细胞，这可能是由多种因素引起的，包括scRNA-seq过程中原生质体诱导的显著表达效应，在scATAC-seq过程中不存在，染色质开放可及性但低表达/无表达的基因，以及染色质封闭区域但高表达的基因。
研究者还描绘了ACR和组蛋白修饰、转录因子以及基因表达的相关性，通过拟时序分析，描绘了根毛细胞类型分化过程中的染色质和基因表达动态变化。除了根系发育过程中的染色质动态，研究人员还重点阐述了单细胞水平染色质开放区对环境信号热胁迫下的变化，发现了热胁迫下细胞类型特异性的染色质可及性及相关基因的表达变化。
参考文章：
https://doi.org/10.1186/s12915-022-01473-2
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