La transcriptomique spatiale monocellulaire (sc-StereoSeq), ouvrant une nouvelle ère dans la biologie des plantes et des cultures.

10 janv. 2024

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WEILIN LIU SCIENTIFIQUE EN APPLICATIONS DE TERRAIN, MGI

Dr. Weilin Liu - Scientifique en application sur le terrain chez MGI

La transcriptomique spatiale monocellulaire (sc-StereoSeq), ouvrant une nouvelle ère dans la biologie des plantes et des cultures.
La transcriptomique spatiale monocellulaire (sc-StereoSeq), ouvrant une nouvelle ère dans la biologie des plantes et des cultures.
La transcriptomique spatiale monocellulaire (sc-StereoSeq), ouvrant une nouvelle ère dans la biologie des plantes et des cultures.

Dévoilement de la nouvelle ère en biologie végétale : Transcriptomique spatiale à cellule unique (sc-StéréoSeq) 

La transcriptomique spatiale à cellule unique (sc-StereoSeq) ouvre une nouvelle ère en biologie végétale et des cultures. 

Fusionner l'information spatiale et l'expression génique dans les cellules des tissus végétaux, progrès et défis  

Associer l'information spatiale à l'expression génique à haute résolution dans les cellules des tissus végétaux est essentiel pour une meilleure compréhension des processus physiologiques des plantes, tels que le développement, l'évolution et les interactions des plantes avec les stress (a)biotiques. Les nouvelles connaissances ainsi obtenues pourraient avoir une importance significative en termes de production et de résistance des cultures, contribuant ainsi à atténuer la pénurie alimentaire pour une vie et une société meilleures. 

Au cours des dernières années, la rapidité des avancées dans les technologies transcriptomiques spatiales (ST) a surmonté les contraintes techniques antérieures liées à la capacité, à la résolution et au manque de contenu sur l'hétérogénéité cellulaire, l'optimisation des fonctions de groupes de cellules spécifiques avec leurs détails spatiaux. Le pouvoir du ST a conduit à des découvertes dans de multiples domaines, notamment le développement embryonnaire, la neurosciences et la recherche sur le cancer (Chen et al., Cellule, 2022 ; Wei et al., Science, 2022 ; Wu et al., Nature 2021). Cependant, son application aux études sur les plantes est en retard par rapport à la recherche humaine et animale en raison de plusieurs défis demeurants inhérents à la nature des plantes. Premièrement, la présence de paroi cellulaire entrave la coloration morphologique des plantes, l'encastrement de coupes de tissus et la perméabilisation subséquente pour la capture d'ARN. La méthode des protoplastes peut entraîner des changements artificiels, entraînant une altération globale de l'expression génique, des proportions biaisées de types cellulaires, affectant ainsi le profilage final du transcriptome. Deuxièmement, la forte teneur en eau des plantes pourrait rendre difficile la préservation des positions spatiales d'origine en raison d'un phénomène de diffusion commun, en particulier lors de l'utilisation de coupes cryo. Troisièmement, il est connu que certains métabolites secondaires dans les tissus végétaux suppriment l'efficacité de la capture d'ARN, provoquant des biais dans la diversité et le rendement des molécules d'ARN. 

Une étude révolutionnaire sur les feuilles d'Arabidopsis, révélant des différences transcriptionnelles subtiles mais significatives entre les sous-types cellulaires 

 Malgré ces obstacles dans la transcriptomique spatiale des plantes, une étude révolutionnaire sur les feuilles d'Arabidopsis publiée dans Developmental Cells par un groupe de scientifiques chinois (Xia, et al., 2022) présente des données complètes et des résolutions subcellulaires sans précédent à l'échelle du nm (500 nm) sur l'expression génique couplée à des informations spatiales précises sur les types cellulaires et précis, obtenues par séquençage transcriptomique spatial monocellulaire (sc-StereoSeq) combiné avec la technologie de nanobilles d'ADN exclusive de MGI (DNB). Dans cette étude, Xia et al. ont établi et validé cette technique sc-StereoSeq authentique dans les feuilles d'Arabidopsis cryo-sectionnées, montrant non seulement sa cohérence avec les profils transcriptomiques et les gènes marqueurs canoniques précédemment connus, mais améliorant également la résolution de l'expression et de l'espace pour démasquer des différences transcriptionnelles subtiles mais significatives entre les sous-types cellulaires. Plus de 10 000 cellules provenant des feuilles caulinaires d'Arabidopsis avec un total de 19 720 gènes ont été détectées avec des profils transcriptomiques monocellulaires de haute qualité et résolus spatialement, montrant des performances supérieures par rapport à la méthode Bin20 avec une résolution inférieure comme témoin dans l'étude. De plus, la distribution des identifiants moléculaires (IM) semés sur la puce a démontré un alignement parfait entre les zones foliaires et les signaux transcriptomiques, montrant qu'aucune diffusion de signal, couramment observée dans d'autres techniques de ST, n'était présente. L'épiderme des feuilles d'Arabidopsis peut être subdivisé en cellules épidermiques supérieures et inférieures, et les cellules mésophylles peuvent également être classées en cellules mésophylles spongieuses et cellules mésophylles palissadiques. Auparavant, les données scRNA-seq seules ne pouvaient pas distinguer ces sous-types cellulaires en raison de leur lignée cellulaire hautement identique et de leurs profils transcriptomiques similaires. 

Avec les excellentes informations morphologiques subcellulaires préservées par sc-StereoSeq, ces sous-types cellulaires et leurs limites pouvaient être bien reconnus. Plus important encore, des clusters de gènes spécifiques à un type cellulaire, qui n'avaient pas été bien étudiés dans ces sous-types cellulaires, ont été identifiés, montrant que les gènes associés à la photosynthèse, au développement de la cuticule et à la biosynthèse des acides gras étaient significativement surexprimés dans les cellules épidermiques supérieures, tandis que les gènes impliqués dans la réponse immunitaire, la réponse à l'absence de lumière et la régulation de la mort cellulaire étaient enrichis dans les cellules épidermiques inférieures (Figure 3E). De plus, WAX2, qui joue des rôles métaboliques à la fois dans la membrane cuticulaire et dans la synthèse de la cire, et DIN6 impliqué dans le métabolisme de l'azote, sont exprimés de manière différentielle par les cellules épidermiques supérieures et inférieures. Ces nouvelles découvertes ont révélé les différences transcriptionnelles subtiles entre ces sous-types cellulaires, inspirant leurs rôles uniques, mais encore à étudier, dans la physiologie et les fonctions des plantes. En tirant parti du contenu spatial fourni dans cette étude, l'analyse de l'expression le long de l'axe medio-latéral de la feuille d'Arabidopsis a également été menée pour étudier tout cluster de gènes spécifique enrichi dans certaines zones des feuilles. Ces schémas spatiaux d'expression génique le long de l'axe medialatéral de la feuille révélés par sc-StereoSeq fournissent des indications pour mieux comprendre les fonctions physiologiques complexes et la zonation dans les feuilles des plantes. Enfin, la sensibilité à détecter les changements subtils dans l'expression génique entre les différents types cellulaires est considérablement renforcée par sc-StereoSeq avec ses informations spatiales supérieures par rapport à d'autres méthodes moléculaires conventionnelles.

Perspective future de sc-StereoSeq dans la recherche végétale et des cultures 

Suite à la lumière de ce travail inspirant, d'autres études similaires appliquant ou combinant des analyses transcriptomiques spatiales ont récemment été réalisées sur des cellules foliaires de pourpier (Moreno-Villena et al., Sci Adv, 2022), des aiguilles d'arachide (Liu et al, Plant Biotechno J, 2022), le méristème d'orchidée (Liu et al, Nucleic Acids Res, 2022) et le tissu vasculaire de peuplier (Du et al., Mol plant, 2023). La prochaine étude qui vaudrait la peine d'être tentée serait d'appliquer cette méthodologie établie de scStereo-seq sur les racines d'Arabidopsis/plante pour obtenir un atlas détaillé, non biaisé et à plus haute résolution de l'expression génique afin d'approfondir la compréhension et d'extrapoler davantage les mécanismes clés impliqués dans le développement des racines de plantes, dont le processus est tout aussi essentiel que le développement des feuilles. De plus, cet outil moléculaire pourrait disséquer davantage comment les racines des plantes réagissent à ces facteurs environnementaux, tels que les nutriments, les stress abiotiques et les interactions microbiennes, tels que les processus de symbiose et les infections pathogènes, et comment les ajustements physiologiques sont archivés via les régulations transcriptionnelles. De plus, la collecte des tissus des différentes étapes de développement suivie d'une analyse scStereo-seq enrichirait considérablement les informations biologiques à la fois spatiales et temporelles, élevant ainsi la recherche végétale et des cultures vers un nouvel horizon. De plus, ce qui pourrait être amélioré dans cette étude et des études similaires à l'avenir, surtout lors de l'étude de groupes de cellules particuliers, est d'utiliser la puissance des rapports de fluorescence (GFP/mCherry) pilotés par des promoteurs spécifiques de types cellulaires, tels que pPIN2, pSCR, pSHR et pWOX5 dans les racines d'Arabidopsis (Marquès-Bueno et al., Plant J, 2016), pGC1 et pCER5 dans les feuilles (Yang, et al., Plant methods, 2008; Mustroph et al., PNAS, 2009), pour permettre une classification plus précise et efficace de l'identité cellulaire en plus de la méthode basée sur la morphologie conventionnelle. La définition des frontières cellulaires par coloration et imagerie en fluorescence à haut débit pour étiqueter par type cellulaire avant l'extraction d'ARN renforcerait davantage la puissance et la précision de scStereo-seq. 

À propos de MGI

MGI Tech Co., Ltd. (MGI) est à la pointe de l'innovation mondiale, contribuant activement à la science de la vie par le biais de l'innovation intelligente. Avec une présence dans plus de 100 pays et une base de clients de 2600+, la technologie de pointe de MGI a été essentielle dans le développement de plus de 736 brevets d'utilisateur, facilitant la création de plus de 150 pétaoctets de données. Le portefeuille étendu de la société comprend des instruments de séquençage, des instruments d'automatisation, des réactifs et des produits connexes qui répondent à divers secteurs tels que la recherche en sciences de la vie, l'agriculture, la médecine de précision et les soins de santé. 

MGI s'engage à faire progresser les outils de la science de la vie pour la santé de l'avenir. En décembre 2021, la présence mondiale de l'entreprise s'est étendue à plus de 100 pays et régions, desservant plus de 1 300 clients internationaux. Avec une main-d'œuvre de plus de 2 900 professionnels dans le monde entier, dont 5 centres de recherche et de développement et des installations de production en Europe, MGI s'engage à favoriser l'innovation. Environ 35% des employés de MGI sont impliqués dans la R&D, soulignant l'accent mis par l'entreprise sur les avancées pionnières dans le domaine. 

L'impact du travail de MGI est également illustré par la publication de plus de 6 800 articles dans des revues scientifiques prestigieuses, démontrant la contribution significative de la technologie de MGI à la communauté scientifique et au-delà. 

Pour plus d'informations sur MGI et ses contributions à la science de la vie et aux soins de santé, veuillez visiter le site web de MGI ou nous suivre sur Twitter, LinkedIn ou YouTube

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