Einzelzell-Raumtranskriptomik (sc-StereoSeq), die eine neue Ära in der Biologie von Pflanzen und Kulturen eröffnet.

10.01.2024

Artikel teilen
WEILIN LIU SENIOR FIELD APPLICATION SCIENTISTS MGI

Dr. Weilin Liu - Field Application Scientist bei MGI

Einzelzell-Raumtranskriptomik (sc-StereoSeq), die eine neue Ära in der Biologie von Pflanzen und Kulturen eröffnet.
Einzelzell-Raumtranskriptomik (sc-StereoSeq), die eine neue Ära in der Biologie von Pflanzen und Kulturen eröffnet.
Einzelzell-Raumtranskriptomik (sc-StereoSeq), die eine neue Ära in der Biologie von Pflanzen und Kulturen eröffnet.

Enthüllung des neuen Zeitalters in der Pflanzenbiologie: Spatial-Transcriptomics auf Einzelzellebene (sc-StereoSeq) 

Durch die spatial-Transcriptomics auf Einzelzellebene (sc-StereoSeq) wird in der Pflanzen- und Nutzpflanzenbiologie ein neues Zeitalter eingeleitet. 

Brückenbildung von räumlicher Information und Genexpression in pflanzlichen Gewebzellen, Fortschritte und Herausforderungen  

Die Verknüpfung räumlicher Informationen mit der Genexpression in hoher Auflösung in pflanzlichen Gewebzellen ist entscheidend für ein tieferes Verständnis der physiologischen Prozesse von Pflanzen, wie beispielsweise Entwicklung, Evolution und Interaktionen von Pflanzen mit (a)biotischem Stress. Das gewonnene neue Wissen könnte von erheblicher Bedeutung sein und dazu beitragen, die Produktion und Resistenz von Nutzpflanzen erheblich zu verbessern und letztendlich die Lebensmittelknappheit für ein besseres Leben und eine bessere Gesellschaft zu lindern. 

In den letzten Jahren wurde das schnelle Tempo in räumlich-transcriptomischen (ST) Technologien früheren technischen Einschränkungen in Durchsatzkapazität, Auflösung und mangelndem Inhalt an zellulärer Heterogenität überwunden, wodurch die Funktionen spezifischer Zellgruppen mit ihren räumlichen Details feinabgestimmt werden konnten. Die Leistungsfähigkeit von ST hat zu Entdeckungen in mehreren Bereichen geführt, darunter embryonale Entwicklung, Neurowissenschaften und Krebsforschung (Chen et al., Cell, 2022; Wei et al., Science, 2022; Wu et al., Nature 2021). Allerdings ist seine Anwendung in Pflanzenstudien im Vergleich zu menschlichen und tierischen Untersuchungen aufgrund mehrerer verbleibender Herausforderungen, die in der Natur von Pflanzen begründet sind, zurückgeblieben. Erstens behindert das Vorhandensein von Zellwänden das morphologische Färben pflanzlicher Zellen, das Einbetten von Gewebeschnitten und die anschließende Permeabilisierung für die RNA-Erfassung. Die Protoplastenmethode kann künstliche Veränderungen auslösen, die zu globaler Veränderung der Genexpression, zu verfälschten Anteilen von Zelltypen und damit zur Beeinträchtigung des endgültigen Transkriptomprofils führen. Zweitens könnte der hohe Wassergehalt in Pflanzen aufgrund eines häufig auftretenden Diffusionsphänomens insbesondere bei der Verwendung von Kryoschnitten die Erhaltung der ursprünglichen räumlichen Positionen erschweren. Drittens ist bekannt, dass bestimmte Sekundärmetabolite in pflanzlichem Gewebe die RNA-Erfassungseffizienz unterdrücken, was zu einer Verzerrung der Diversität und des Ertrags von RNA-Molekülen führt. 

Eine wegweisende Studie über Arabidopsis-Blätter, die subtile, aber signifikante transkriptionelle Unterschiede zwischen Zellsubtypen aufdeckt

 Trotz dieser Engpässe in der räumlichen Transkriptomik von Pflanzen präsentiert eine wegweisende Studie über Arabidopsis-Blätter, die in Developmental Cells von einer Gruppe chinesischer Wissenschaftler (Xia et al., 2022) veröffentlicht wurde, umfassende Daten und beispiellose subzelluläre Auflösungen im nm-Bereich (500 nm) zur Genexpression gekoppelt mit spezifischen Zelltypen und präzisen räumlichen Informationen. Dies wurde durch die kombinierte Anwendung von Einzelzell-RNA-Raumtranskriptomik (sc-StereoSeq) in Verbindung mit der proprietären DNA-Nanokugel-Technologie (DNB) von MGI erreicht. In dieser Studie etablierten und validierten Xia et al. diese bona fide sc-StereoSeq-Technik an kryoschnittigen Arabidopsis-Blättern, wobei nicht nur ihre Übereinstimmung mit bereits bekannten transkriptionellen Profilen und kanonischen Marker-Genen gezeigt wurde, sondern auch die expressionale und räumliche Auflösung verbessert wurde, um subtile, aber signifikante transkriptionelle Unterschiede zwischen Zellsubtypen aufzudecken. Über 10.000 Zellen aus Arabidopsis Cauline-Blättern mit insgesamt 19.720 Genen wurden mit hochwertigen und räumlich aufgelösten Einzelzell-Transkriptomprofilen nachgewiesen, wobei eine überlegene Leistung im Vergleich zur Bin20-Methode mit niedrigerer Auflösung als Kontrolle in der Studie gezeigt wurde. Darüber hinaus zeigte die Verteilung von Molekülidentifikatoren (MID) auf dem Chip eine perfekte Ausrichtung zwischen Blattflächen und Transkriptsignalen, wobei keine Signaldiffusion zu beobachten war, wie sie bei anderen ST-Techniken üblich ist. Die Epidermis in Arabidopsis-Blättern kann in obere und untere epidermale Zellen unterteilt werden, und auch Mesophyllzellen können in spongiöse Mesophyllzellen und palisadenartige Mesophyllzellen eingeteilt werden. Zuvor konnten alleinige scRNA-seq-Daten diese Zellsubtypen aufgrund ihrer hochidentischen Zellabstammung und transkriptionellen Profile nicht unterscheiden. 

Mit den hervorragenden subzellulären morphologischen Informationen, die von sc-StereoSeq bewahrt werden, konnten diese Zellsubtypen und ihre Grenzen gut erkannt werden. Noch wichtiger ist, dass genespezifische Cluster, die in diesen Zellsubtypen nicht gut untersucht wurden, identifiziert wurden. Dabei zeigte sich, dass die Gene, die mit Photosynthese, Cuticulaentwicklung und Fettsäurebiosynthese in Verbindung stehen, in den oberen epidermalen Zellen signifikant hochreguliert waren, während die Gene, die an der Immunreaktion, der Reaktion auf Lichtmangel und der Regulation des Zelltods beteiligt sind, in den unteren epidermalen Zellen angereichert waren (Abbildung 3E). Darüber hinaus werden WAX2, das metabolische Funktionen sowohl in der Cuticulamembran als auch in der Wachssynthese hat, und DIN6, das am Stickstoffmetabolismus beteiligt ist, von ober- und unterepidermalen Zellen differentiell exprimiert. Diese neuen Erkenntnisse offenbarten die subtilen transkriptionellen Unterschiede zwischen diesen Zellsubtypen und inspirierten ihre einzigartigen, jedoch noch zu untersuchenden Rollen in der Pflanzenphysiologie und -funktion. Durch die raumbezogenen Informationen, die in dieser Studie bereitgestellt werden, wurde auch eine Expressionanalyse entlang der medio-lateralen Achse des Arabidopsis-Blattes durchgeführt, um zu untersuchen, ob in bestimmten Bereichen der Blätter angereicherte, spezifische Gengruppen vorliegen. Diese räumlichen Genexpressionsmuster entlang der medio-lateralen Blattachse, die durch sc-StereoSeq aufgezeigt wurden, liefern Hinweise, um die komplexen physiologischen Funktionen und Zonierungen in Pflanzenblättern weiter zu verstehen. Schließlich wird die Sensitivität der Detektion subtiler Veränderungen in der Genexpression zwischen verschiedenen Zelltypen durch sc-StereoSeq mit seiner überlegenen räumlichen Information im Vergleich zu anderen konventionellen molekularen Methoden signifikant verstärkt.

Zukünftige Perspektive von sc-StereoSeq in der Pflanzen- und Agrarforschung 

Nach dem Vorbild dieser inspirierenden Arbeit wurden kürzlich weitere ähnliche Studien durchgeführt, die räumliche transkriptomische Analysen an Portulaka-Blattzellen (Moreno-Villena et al., Sci Adv, 2022), Erdnadeln (Liu et al, Plant Biotechno J, 2022), Orchideenmeristem (Liu et al, Nucleic Acids Res, 2022) und Pappelgefäßgewebe (Du et al., Mol plant, 2023) anwenden oder kombinieren. Die nächste lohnenswerte Untersuchung wäre die Anwendung dieser etablierten scStereo-seq-Methodik an Arabidopsis/Pflanzenwurzel, um eine detailliertere, unvoreingenommene und hochauflösende Genexpressionskarte zu erhalten, um das Verständnis zu vertiefen und die in die Pflanzenwurzelentwicklung involvierten Schlüsselmechanismen weiter zu extrapolieren, dessen Prozess genauso wesentlich ist wie die Blattentwicklung. Darüber hinaus könnte dieses molekulare Werkzeug weiterhin aufschlüsseln, wie Pflanzenwurzeln auf Umweltfaktoren wie Nährstoffe, abiotische Stressfaktoren und mikrobielle Interaktionen, wie symbiotische Prozesse und Pathogeninfektionen, reagieren und wie die physiologischen Anpassungen über die Transkriptionsregulationen erreicht werden. Darüber hinaus würde die Sammlung von Geweben aus den verschiedenen Entwicklungsstadien, gefolgt von scStereo-seq-Analysen, die biologischen Informationen sowohl in räumlicher als auch in zeitlicher Hinsicht erheblich bereichern und die Pflanzen- und Agrarforschung auf einen neuen Horizont heben. Darüber hinaus könnte in dieser und ähnlichen Studien in Zukunft, insbesondere bei der Untersuchung bestimmter Zellgruppen, die Kraft von Fluoreszenz-Reportern (GFP/mCherry), die von zelltypspezifischen Promotern wie pPIN2, pSCR, pSHR und pWOX5 in Arabidopsis wurzelgesteuert werden (Marquès-Bueno et al., Plant J, 2016), pGC1 und pCER5 im Blatt (Yang, et al., Plant methods, 2008; Mustroph et al., PNAS, 2009), genutzt werden, um neben der konventionellen morphologiebasierten Methode eine präzisere und effizientere Zellidentitätsklassifizierung zu ermöglichen. Die Definition der Zellgrenze durch Färbung und Hochdurchsatz-Fluoreszenzbildgebung zur Markierung pro Zelltyp vor der RNA-Extraktion würde die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit von scStereo-seq weiter stärken. 

Über MGI

MGI Tech Co., Ltd. (MGI) ist an vorderster Front globaler Innovationen und leistet aktiv einen Beitrag zur Lebenswissenschaft durch intelligente Innovationen. Mit Präsenz in über 100 Ländern und einem Kundenstamm von 2600+ war die wegweisende Technologie von MGI entscheidend für die Entwicklung von über 736 Benutzerpatenten und die Erstellung von über 150 Petabyte an Daten. Das umfangreiche Portfolio des Unternehmens umfasst Sequenzierinstrumente, Automatisierungsinstrumente, Reagenzien und verwandte Produkte, die verschiedene Bereiche wie die Lebenswissenschaftsforschung, Landwirtschaft, Präzisionsmedizin und Gesundheitswesen abdecken.

MGI widmet sich der Entwicklung von Lebenswissenschaftswerkzeugen für die Gesundheitsversorgung der Zukunft. Bis Dezember 2021 hat die weltweite Präsenz des Unternehmens mehr als 100 Länder und Regionen umfasst und über 1300 internationale Kunden bedient. Mit einer Belegschaft von über 2900 Fachleuten weltweit, darunter 5 Forschungs- und Entwicklungszentren und Produktionsstätten in Europa, ist MGI bemüht, Innovationen zu fördern. Etwa 35% der Mitarbeiter von MGI sind in der Forschung und Entwicklung tätig, was das Engagement des Unternehmens für bahnbrechende Fortschritte in diesem Bereich unterstreicht.

Die Auswirkungen der Arbeit von MGI werden weiterhin durch die Veröffentlichung von über 6800 Artikeln in renommierten wissenschaftlichen Zeitschriften deutlich, was den signifikanten Beitrag der MGI-Technologie für die wissenschaftliche Gemeinschaft und darüber hinaus zeigt.

Weitere Informationen über MGI und seine Beiträge zur Lebenswissenschaft und Gesundheitswesen finden Sie auf der MGI-Website oder folgen Sie uns auf Twitter, LinkedIn oder YouTube.

Ein Bild des DNBSEQ-T7-Sequenziergeräts von MGI-Tech

DNBSEQ-T7

Die Vorhut der Hochdurchsatz-Sequenzierung

Einzelzell- Raumskopie der Transkriptomik

SC-STERO-Seq Technologie

Pflanzen-Genomforschung

Kartierung von Pflanzengenetik

Raumliche Omics-Anwendungen

Raumliche Omics-Anwendungen

Teilen Sie diesen Artikel :

Teilen

Mehr Wissenschaft

Smart-seq3Xpress: eine skalierbare, hochsensible und kostengünstige Methode für die Einzelzell-Gesamt-RNA-Sequenzierung.
Smart-seq3Xpress: eine skalierbare, hochsensible und kostengünstige Methode für die Einzelzell-Gesamt-RNA-Sequenzierung.
Smart-seq3Xpress: eine skalierbare, hochsensible und kostengünstige Methode für die Einzelzell-Gesamt-RNA-Sequenzierung.
Smart-seq3Xpress: eine skalierbare, hochsensible und kostengünstige Methode für die Einzelzell-Gesamt-RNA-Sequenzierung.

05.03.2024

Smart-seq3Xpress: eine skalierbare, hochsensible und kostengünstige Methode für die Einzelzell-Gesamt-RNA-Sequenzierung.

Revolutionierung der Einzelzell-RNA-Sequenzierung, SMART-seq3Xpress bietet beispiellose Empfindlichkeit und Kosteneffizienz mit vollständiger Abdeckung.

Kann die Next-Generation-Sequenzierung die Entwicklung von mRNA-Impfstoffen beschleunigen?
Kann die Next-Generation-Sequenzierung die Entwicklung von mRNA-Impfstoffen beschleunigen?
Kann die Next-Generation-Sequenzierung die Entwicklung von mRNA-Impfstoffen beschleunigen?
Kann die Next-Generation-Sequenzierung die Entwicklung von mRNA-Impfstoffen beschleunigen?

10.10.2023

Kann die Next-Generation-Sequenzierung die Entwicklung von mRNA-Impfstoffen beschleunigen?

Erkunden Sie die transformative Wirkung der Next-Generation-Sequenzierung bei der Entwicklung von mRNA-Impfstoffen. Tauchen Sie ein in die nobelpreisgekrönten Entdeckungen, Herausforderungen und neuartigen Technologien wie den VAX-seq-Arbeitsablauf, der Impfstoffproduktion, -sicherheit und -qualitätsanalyse in globalen Gesundheitskrisen verbessert.

Ein vollständiger Mensch Y stellt in der Biologie mehr 'Warum'-Fragen
Ein vollständiger Mensch Y stellt in der Biologie mehr 'Warum'-Fragen
Ein vollständiger Mensch Y stellt in der Biologie mehr 'Warum'-Fragen
Ein vollständiger Mensch Y stellt in der Biologie mehr 'Warum'-Fragen

01.09.2023

Ein vollständiger Mensch Y stellt in der Biologie mehr 'Warum'-Fragen

Entdecken Sie die Geheimnisse des menschlichen Y-Chromosoms mit den wegweisenden Erkenntnissen von MGI. Erfahren Sie, wie die Studie des T2T-Konsortiums GRCh38-Fehler korrigiert, mehr als 30 Mb neue Sequenzdaten aufdeckt und unser Verständnis von Genstrukturen und deren Auswirkungen im Omik-Versum vorantreibt.

Urheberrecht © 2024 MGI tech GmbH, Ltd. Alle Rechte vorbehalten.

Urheberrecht © 2024 MGI tech GmbH, Ltd. Alle Rechte vorbehalten.

Urheberrecht © 2024 MGI tech GmbH, Ltd. Alle Rechte vorbehalten.