该文献是一篇科学研究论文，发表于《Advanced Science》，题为《Multiome in the Same Cell Reveals the Impact of Osmotic Stress on Arabidopsis Root Tip Development at Single-Cell Level》。本文的主要作者包括Qing Liu、Wei Ma、Ruiying Chen等，作者隶属于河北农业大学生命科学学院、河北省北方作物改良与调控国家重点实验室、英国华威大学生命科学学院等研究机构。研究生物信息学的BGI研究中心（北京和深圳）也参与了这项研究。论文于2024年4月在线发布。

研究背景

植物作为一种固着生物，其适应不断变化的环境具有重要意义。在植物的生长与发育过程中，细胞类型特异性的转录调控网络（Transcriptional Regulatory Networks，TRNs）在调控基因表达和响应环境胁迫中发挥着核心作用。基因的表达需要染色质开放，基因的激活会受到细胞分化、组织器官的动态发育及环境刺激的调节。然而，以往单细胞研究通常利用单组学技术，如单细胞RNA测序（scRNA-seq）或单细胞ATAC测序（scATAC-seq），难以在同一细胞内捕捉基因表达层面和染色质可及性层面的关系。

尤其在研究面临胁迫的植物如拟南芥中，大多数传统研究集中于总体组织或细胞群水平，未能准确揭示在单细胞层面上的表观遗传变化和基因表达动态。单细胞多组学技术的发展，为这些间接观测提供了直接联系的方式，但在植物研究中仍属未充分开发领域。

研究目的

这项研究旨在通过同时分析拟南芥根尖细胞中的RNA表达与染色质可及性，从单细胞分辨率角度全面揭示渗透胁迫对拟南芥根尖发育的影响。研究突破了以往分开测序试验数据再整合的局限，直接对单细胞进行多组学测序。具体目标包括： 1. 构建单细胞水平上根尖细胞的TRNs。 2. 探讨拟南芥根尖在正常条件及渗透胁迫条件下的染色质可及性和RNA表达差异。 3. 通过分析染色质可及性数据预测初始细胞命运分化的机制。 4. 阐明胁迫条件下特定细胞类型如根毛细胞的特异反应。

研究方法

该研究主要流程如下：

实验设计与技术平台

作者使用10x Genomics Chromium单细胞多组学测序平台，兼容单细胞水平的RNA和ATAC测序。以拟南芥根尖5mm样本为材料，包含正常培养条件（1/2MS培养基）与渗透胁迫处理组（在培养基中加入250 mM山梨醇）。渗透压胁迫处理中，拟南芥表现出典型表型，包括根缩短、气孔关闭等。

样本处理流程如下： 1. 提取核结构而非原生质体，从而缩短处理时间，并避免因原生质体制备过程导致的压力响应偏差。 2. 分别进行了两种培养条件下总计共16,670个细胞核的单细胞RNA测序（snRNA-seq）和ATAC测序（snATAC-seq），其中正常条件5,696个核，胁迫条件10,974个核。 3. 对两组重复实验数据进行质量控制，验证其一致性和数据可靠性。

数据处理与分析

数据使用10x Cell Ranger Arc与多种R及Python工具处理： - 数据降噪与归一化采用Seurat、Signac等生物信息学工具。 - 使用UMAP算法对细胞进行聚类与分型，共识别出15种细胞类型。 - 构建发育轨迹和伪时间模型，以分析细胞分化过程。

在实验中，研究还采用了一些创新手段： 1. 绘制Sankey图，可视化RNA和ATAC数据注释之间的染色质状态差异。 2. 通过单细胞ATAC-seq联合预测顺式调控元件（cis-regulatory elements，CRES）与基因关联网络（Gene-Linked Candidate Cis-Regulatory Elements，GL-CREs）。

研究结果

1. 多组学同时测序数据产出高质量信息

单细胞多组学技术分析在多个细胞类型中生成了染色质可及性与基因表达的高分辨率图谱。结果显示： - 染色质可及性具有细胞类型特异性，并反映潜在的基因激活倾向，而RNA转录水平直接表现出已激活的基因表达。 - 多组学数据联合提高了罕见细胞类型（如木质部、韧皮部等）的解析能力。

2. 初始细胞的染色质可及性影响分化

在根尖初始细胞（initial cells）设立的伪时间模型中，作者发现染色质开放行为早于基因表达。这揭示了初始细胞的染色体通过特定区域开放为其未来分化铺垫。

例如，研究重点跟踪了磷酸盐运输体基因PHT1;1，该基因在外周表皮细胞很活跃，但在初始细胞中虽表现出染色质开放状态，却未检测到相关mRNA水平，说明此类基因表达依赖细胞分化环境。

3. 胁迫条件下细胞类型特异性转录调控

渗透胁迫对不同细胞类型的发育造成显著影响，尤其是： - 根毛细胞（trichoblast）：胁迫下根毛细胞发育受阻，呈现未成熟的“分化中区域”，表现出基因表达与氧化磷酸化改变。 - 韧皮部与木质部：胁迫诱导其内部参与盐胁迫信号转导主通路（如ABA信号）关键基因的表达。

4. 胁迫相关调控网络和顺式调节元件（CREs）

单细胞整合的数据挖掘预测出了大量与胁迫条件关联的候选CREs，其中包括细胞特异性增强子。进一步分析发现部分增强子为拟南芥核心结点，作用于高盐响应基因。这些序列在十字花科其他物种如芸苔中也具有保守性。

5. 转录因子（TF）作用解析

重点研究了WRKY转录因子在根毛细胞特异应答中的作用，发现WRKY17与WRKY11的表达显著上调，并与关键胁迫基因协同作用。这些观察指出WRKY家族在细胞特异性抗性网络中的重要角色。

意义与展望

该研究是首次在植物中应用真正意义上的单细胞多组学平台，填补了植物单细胞解析技术应用的空白。同时，研究结果揭示了拟南芥如何通过协同的染色质变化与基因表达调控适应胁迫，这不仅深化了对植物根尖发育及胁迫反应机制的理解，也为提高作物适应性提供了潜在的分子育种目标。

此外，该研究发展并优化了一系列多组学数据处理和分析的新方法，这为之后多种模式植物和经济作物的表观基因组学研究提供了技术参考。

研究亮点与贡献

1. 技术创新：首次基于植物进行单细胞多组学（RNA+ATAC）检测，实现前所未有的解析水平。
2. 胁迫生物学启示：揭示了根毛细胞及其他细胞在胁迫下的分化与功能命运变化。
3. 实用价值：拓展了再生育种和生物工程改良作物抗胁迫能力的可能性。

总结而言，这项突破性研究为理解植物细胞生物学以及环境胁迫适应提供了新视角，同时代表了单细胞时代下，植物科学研究的技术前沿。