引言：植物單細胞的研究領域近年來迎來了飛速發展，為我們深入了解植物生長、發育和适應環境的奧秘提供了全新的機會。深入揭示植物細胞的異質性和功能多樣性，不僅有助于我們理解植物生長和适應不同環境的分子機制，還為優化農業生産和改善植物抗病性提供新的理論依據。然而，植物單細胞大數據分析、處理、比較和挖掘等方面的挑戰也需要創新的方法和工具來應對。最近，我院陳迪俊課題組在植物單細胞大數據平台開發和基因調控網絡解析方面取得一系列新進展。
n 研究成果一：開發多功能植物單細胞轉錄組數據分析框架scPlant
近年來，随着單細胞轉錄組測序技術在植物學研究中的廣泛應用，我們能夠更好地了解植物生長發育和對外界刺激的響應機制。然而，目前存在一些挑戰：現有的單細胞轉錄組數據分析工具主要面向特定的任務設計，缺乏端到端的分析工具，并且不同工具之間的整合較為困難。此外，大部分現有的單細胞數據分析工具主要适用于人類和小鼠等哺乳動物，缺乏針對植物的先驗知識庫，對于沒有生物信息學專業知識的實驗科研人員來說，使用這些工具較為困難。
該研究開發了一款名為scPlant的多功能植物單細胞轉錄組數據分析框架。scPlant集成了流行的單細胞轉錄組數據分析工具，并提供了與植物相關的知識庫。該框架具備廣泛的功能，包括從基礎的數據預處理到下遊的高級分析，例如細胞類型的自動注釋和反卷積、拟時軌迹推斷、跨物種數據整合和基因調控網絡推斷等。此外，scPlant還提供了一個内置的Shiny App，内含豐富的可視化功能，使用戶能夠輕松地與單細胞轉錄組數據進行交互式探索。目前，scPlant已經支持拟南芥、水稻、玉米等多個模式植物，并将來将擴展支持更多物種。scPlant軟件包可從https://github.com/compbioNJU/scPlant下載安裝和使用。
綜上所述，scPlant是一個用戶友好、多功能的植物單細胞轉錄組數據分析工具，使實驗科研人員能夠方便地進行植物單細胞轉錄組測序數據的分析，無需深入了解編程知識。該研究為植物單細胞轉錄組研究領域提供了生物信息學分析工具和知識庫，有助于植物科學家深入挖掘和分析單細胞測序數據。
圖一：scPlant包含的功能模塊
該研究成果以“scPlant: a versatile framework for single-cell transcriptomic data analysis in plants”為題，于2023年5月28日發表在Plant Communications雜志上。伟徳国际官网登录入口醫藥生物技術全國重點實驗室陳迪俊副教授、張辰宇教授為論文通訊作者。伟徳国际官网登录入口博士研究生曹珊妮為論文第一作者。該研究由國家自然科學基金面上項目和伟徳国际官网登录入口 “登峰B”人才項目資助。
原文鍊接：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100631
n 研究成果二：構建植物單細胞大數據平台scPlantDB
單細胞轉錄組測序（scRNA-seq）技術的快速發展與廣泛應用，實現了單細胞水平基因表達模式的全面剖析，為了解植物細胞的多樣性和異質性提供了前所未有的視角，使得植物生物學研究進入了一個全新時代。然而，植物單細胞組學研究領域缺乏一個全面的整合性資源，以實現對已發表植物單細胞數據集的系統重用、探索和比較。
在本研究中，作者開發了一個植物單細胞綜合數據庫平台scPlantDB (https://biobigdata.nju.edu.cn/scplantdb)。scPlantDB通過統一的标準化流程整合多個數據集，以人工方式進行細胞注釋，從而确保數據的一緻性和可靠性。scPlantDB包含三個功能模塊（Browser/Tools/Marker），提供多數據集比較、跨物種分析、細胞類型預測及Marker基因查詢等功能。截至到當前，該數據庫整合了來自17個植物物種的67套高質量單細胞圖譜，涵蓋約250萬個細胞，提供友好的交互式在線分析功能，為植物研究界提供寶貴的資源。
圖二：scPlantDB數據庫功能模塊和數據統計信息
相關研究論文以“scPlantDB: a comprehensive database for exploring cell types and markers of plant cell atlases”為題，于2023年8月28日發表于Nucleic Acids Research雜志上。伟徳国际官网登录入口醫藥生物技術全國重點實驗室陳迪俊副教授為通訊作者，碩士生赫兆輝、羅語婷和周欣恺為該論文共同第一作者。特别感謝伟徳国际官网登录入口高性能計算中心、華中農業大學賀超博士對本研究的幫助。本研究得到國家自然科學基金、伟徳国际官网登录入口 “登峰B”人才項目、江蘇省2023年研究生科研實踐創新計劃的資助。
原文鍊接：https://doi.org/10.1093/nar/gkad706
n 研究成果三：整合單細胞轉錄組大數據解析植物lncRNA基因調控網絡
植物基因組中包含大量的長鍊非編碼RNA（lncRNAs），它們通常在特定細胞或特定發育階段以特異性的方式表達，并在調控多種生物過程中（如脅迫響應、發育形态、莖伸長、分蘖和開花等）發揮着關鍵作用。盡管植物中已經有大量的lncRNAs被預測出來，但由于其拷貝數較低，且與mRNAs 相比序列保存較差，因此其功能分析仍處于早期階段。近年來，單細胞轉錄組測序（scRNA-seq）技術的出現使得人們能夠以前所未有的精度解析細胞間的異質性，也為研究lncRNA的時空特異性表達及調控關系提供了良好的工具。
在本研究中，作者通過整合分析已發表單細胞數據繪制了拟南芥幼苗期的細胞圖譜，在此基礎上解析了lncRNA的基因表達異質性及基因調控網絡。首先，作者通過整合28個已發表scRNA-seq數據集（已收錄于scPlantDB數據中），構建了一個拟南芥幼苗期的單細胞轉錄組圖譜。在此基礎上，作者對在不同細胞類型中特異性表達的lncRNA進行了深入分析，發現其與mRNA具有一緻的表達模式。通過反卷積分析，發現lncRNA的細胞類型特異性極大地解釋了其組織特異性，為理解lncRNA組織特異性的表達模式提供了新見解。
然後，作者在細胞類型水平上構建了lncRNA 和 mRNA 共表達基因調控網絡，并深入解析了包括木質部在内的細胞類型特異性基因調控網絡，發現大量lncRNA與蛋白編碼基因共表達基因模塊，而且這些共表達基因模塊被相同的轉錄因子所調控。最後，作者利用原位雜交實驗手段對部分lncRNA的表達模式進行了驗證。此外，該研究還構建了一個在線單細胞圖譜數據庫scPLAD（https://biobigdata.nju.edu.cn/scPLAD/），方便廣大研究者查閱lncRNA在不同細胞類型中的表達模式。
綜上所述，這項工作将單細胞數據整合分析應用于植物lncRNA的研究中，為解析lncRNA相關生物學功能提供了寶貴的數據資源及研究思路。
圖三：基于單細胞轉錄組數據推斷lncRNA相關基因調控網絡
相關研究論文以“Single-cell transcriptome analysis dissects lncRNA-associated gene networks in Arabidopsis”為題于2023年9月14日在Plant Communications上發表。伟徳国际官网登录入口醫藥生物技術全國重點實驗室陳迪俊副教授、博士後趙雪、揚州大學胡珂鳴教授和浙江大學陳銘教授為論文通訊作者，伟徳国际官网登录入口碩士生赫兆輝、博士生藍楊銘、碩士生周欣恺、本科生俞邊炯為論文共同第一作者；華中農業大學陳春麗教授、揚州大學左示敏教授、伟徳国际官网登录入口蘭文智教授等參與了該研究工作。該研究受到國家自然科學基金、伟徳国际官网登录入口 “登峰B”人才計劃、江蘇省作物基因組學與分子育種重點實驗室開放基金和2023年江蘇省研究生科研實踐創新計劃等項目資助。
原文鍊接：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100717