2022年2月4日，NEW PHYTOLOGIST在线发表了上海交通大学生命科学技术学院袁政教授团队和烈冰团队通力合作的水稻花序单细胞文章，对水稻花序组织中细胞的分化发育进行了全面剖析。

烈冰生物CTO宗杰博士和王丽、朱璐博士为共同第一作者，上交大袁政教授为本文章通讯作者，张大兵教授，梁婉琪教授等参与了本项研究的实施。该文发表于植物权威期刊《New Phytologist》(IF=10.15)，题目为A rice single cell transcriptomic atlas defines the developmental trajectories of rice floret and inflorescence meristems，该研究首次揭示了水稻花序早期发育单细胞动态全景图。

烈冰生物全面参与了单细胞测序实验和数据分析工作,其中本项目中的单细胞实验和数据分析均由烈冰完成。下面请跟随小编的步伐，从分析的第一视角来看看本文的研究思路和分析呈现吧~

实验设计

实验分组：采用水稻花序早期发育各生殖分生组织转换、花器官属性建立等发育过程的样本：S1（＜2mm花序）：S2（2-3mm花序）：L（剑叶）=2：2：1

捕获平台：BD Rhapsody^TM

数据分析平台：NovelBrain^®生物信息分析云平台

平台分析工具：聚类分析、marker gene鉴定、GOPathway 分析、拟时序分析、Qusage分析

结果解析

01 水稻花序细胞异质性分析

利用NovelBrain^®生物信息分析云平台，烈冰生信专家团队对37571个高质量细胞的单细胞转录组数据进行了无偏聚类分析，共划分为16个群体（Cluster）并利用单细胞浏览器对t-SNE图进行了可视化展示（图1a），随后，基于AUROC分析（图2b）、 皮尔森相关性分析和细胞占比统计等多种分析证明，S1和S2两个重复样本中细胞群体高度一致和数据的可靠性。

图1 （1）水稻花序异质性分析

进一步，基于已报道的marker gene，研究人员绘制了heatmap图，同时联合基于GSEA的QuSAGE分析（图1c）和细胞占比统计（图1e）等多种方法，将上述16个细胞簇鉴定为小穗、分生组织、叶和花序轴四大细胞类群。为了获得不同类群的准确功能偏好，烈冰团队整合了包括TAIR、IRGSP等多个植物学注释数据库，构建了水稻和拟南芥的本地GO、pathway数据库，并以此进行了全面准确的基因富集分析。结果显示：与“细胞分裂”相关的基因在分生组织细胞中富集、与“花发育”相关的基因在小穗组织细胞中富集，这些结果表明了水稻花序早期发育中存在高度的细胞异质性。

图1 （2）水稻花序异质性分析

02 花细胞亚群的发育轨迹分析

水稻花序组织复杂，不同细胞类型之间异质性大，因此需要对同类细胞进行细分分类，以获得更精细的解析结果，这也是遇到复杂组织时的常见分析策略。在对花细胞进行了细分分群（图2a）过程中，烈冰团队结合已报道的marker gene对各个簇进行了细胞类型鉴定（图2b），得到了包括外稃、内稃、浆片和雄蕊在内的该时期全部已知水稻花器官，还发现了小穗属性细胞（SIC）、FM、边界细胞（boundary）、隐性苞片（cryptic bract）等新的细胞类群。研究发现，WOX类转录因子DWT1在FM中高度富集表达，基于该生信分析结果，研究团队使用遗传学方法进一步分析了DWT1对花序的影响（图2e,f），即DWT1参与花序的发育，调控水稻FM的活性，这也是DWT1与花发育功能相关的首次报道。

图2 （1）花细胞亚群异质性分析

利用monocle算法的拟时序分析，我们重建了花细胞亚群的两条发育轨迹：生殖器官（FM、pa、lo、st等花组织）轨迹和非生殖器官轨迹（cb、le、sl, rg等苞叶类附生组织），并证明“真正的”水稻花序包含SIC、FM、pa、lo和st等器官，而rg、sl、le不属于花。此外，通过表达模式分析并结合已有文献的报道，发现ROC/HDG家族基因高度富集的SIC细胞群处于SpM和FM的表皮层，这也得到了原位杂交的验证。

图2 （2）花细胞亚群发育轨迹分析

03 花序分生组织异质性分析

同样的策略下，烈冰团队对分生组织进行了深入分析，将其分为花序分生组织（IM）、分枝分生组织（BM）和小穗分生组织（SM）三大类群，并用拟时序分析重建了分生组织的发育轨迹：IM会向BM 或 SM转化。在此基础上，对细胞分化的关键节点进行了BEAM分析，将控制侧生分生组织转变的调节因子分为了4类；同时在利用激素通路相关的基因集合对BEAM分析的结果进行扫描时，发现不同激素对水稻花序分生组织属性转换时所起的精细调控作用。

图3 花分生组织异质性分析

04 OsAUX1促进初级分枝伸长

基于BEAM分析结果，交大研究团队深入分析了生长素转运蛋白OsAUX1的表达模式和生物学功能，证明OsAUX1主要影响花序和分支，并为生长素调控水稻花序发育提供了直接的遗传学证据。

图4 OsAUX1的表达模式和生物学功能