近日，华大生命科学研究院徐讯研究员团队撰写的综述文章《Spatial transcriptomics leading the new era in plant research》被评为WILEY 2023年度高被引文章。
 

该文章此前刊登于植物领域国际知名期刊The Plant Journal，此次获评高被引文章，彰显了其在植物研究领域的重要影响力，也标志着时空组学技术在植物生命科学中的应用获得了高度认可。

植物领域的单细胞研究起步较晚。相比于动物和人类相关的研究，植物的相关研究受到植物样本单细胞制备难度大等技术难点限制。然而，空间转录组学（Spatial Transcriptomics，ST）的发展突破了这一瓶颈。空间转录组技术使得从空间角度研究植物组织的单细胞成为可能，如同为每个细胞装上GPS定位系统，使科学家首次实现从分子水平“逐帧解析”植物生长奥秘，极大推动了植物器官演化发育、植物-环境互作以及植物代谢物的合成和运输等领域的进展。

为进一步推动植物时空组学技术的发展和广泛应用，徐讯研究员联合中国科学院杨维才院士、何祖华院士、黄三文院士，美国科学院邓兴旺院士、英国皇家学会Rajeev Varshney院士、澳大利亚技术科学与工程院Robert Henry院士等全球专家，于2024年6月3日发起并成立了植物时空组学联盟，以更好的联合全球顶尖科学家，以大科学工程范式赋能植物时空组学研究，开启植物生命科学研究的新时代。

在这篇综述文章中，徐讯研究员团队基于多年来在植物时空组学领域的积累和探索，从技术发展、技术优势和广泛应用等角度详细介绍并展望了空间转录组学在植物科学研究中面临的巨大机遇和潜在挑战。
 

空间转录组学技术的发展

根据空间信息的获取方式不同，空间转录组学技术可分为三大类：基于激光捕获显微镜的方法（如LCM-seq，Geo-seq）、基于成像的方法（如FISSEQ、MERFISH等）、基于原位捕获测序的方法（如Seq-Scope、Stereo-seq等）。

在单细胞分辨率方面，目前能实现单细胞分辨率的原位捕获测序技术有Seq-Scope和Stereo-seq。这些技术能够推断亚细胞结构，并解决细胞异质性的问题。

在大视场方面，毫米范围内的微阵列限制了大规模组织的 ST 实验。Stereo-seq通过将芯片尺寸扩展至 13 x 13 cm，实现了厘米级的大视场。大尺寸切片可以完整地描绘大型组织的多个边缘和毗邻关系，为了解组织复杂性和单个切片内细胞的空间组成提供有价值的见解。

 不同ST技术的特点比较

空间转录组学在植物生物学中的应用

空间转录组学技术在细胞类型鉴定、细胞发育谱系构建、细胞相互作用研究等方面展现了巨大潜力。

• 鉴定细胞类型

通过利用空间位置信息，空间转录组学技术能够区分具有相似转录组的细胞类型，并进一步对其进行分类。例如，区分拟南芥叶片的上表皮和下表皮，并提供新的叶片细胞标记基因。

• 构建细胞命运发育谱系

在植物发育过程中，细胞可以分化并发育成不同细胞类型。空间转录组学技术能同时记录转录异质性和细胞的空间坐标，从而能够对细胞命运的发育谱系进行空间重建。

• 细胞间的通讯和相互作用

细胞间相互作用在多细胞生物的生理过程中起到重要作用。通过空间转录组学技术，可以筛选出具有空间相邻关系的细胞，从而挖掘细胞间的通讯机制，如研究大豆与根瘤菌之间的相互作用等。
 

技术挑战及未来展望

尽管空间转录组学技术在植物研究中取得了显著进展，但由于植物样本的复杂性和多样性，技术应用仍面临诸多挑战。如取样、冷冻包埋和冷冻切片的方法必须根据取样组织的类型进行修改和优化；开发适用于植物的石蜡切片（FFPE）的ST技术；为植物量身定制单细胞分割算法；开发和优化多组学数据集成算法以识别不同分子层的共同锚点；构建植物的综合参考数据库等。

随着技术的不断进步，空间转录组学有望在植物生长发育、代谢途径、植物与微生物的相互作用等领域发挥更加重要的作用。这不仅将帮助科学家理解植物科学的奥秘，还将为农业作物的改良和植物病害的防控提供新的思路。

总的来说，空间转录组学技术的单细胞分辨率和大视野正在推动植物研究进入一个全新的时代，通过揭示空间特定的转录组特征和解码细胞间的通讯，为植物生物学提供新的见解。随着该技术的广泛应用，专业分析工具、算法和实验技术也将不断发展和改进。未来，我们将能够更加深入地理解植物发育、新陈代谢和微生物群的相互作用。
 

华大生命科学研究院殷瑞莲博士为第一作者，华大生命科学研究院徐讯研究员和夏科科研究员为共同通讯作者。