研究人员使用单细胞RNA测序技术来跟踪叶片的细胞发育

　　我们是如何从一个单细胞变成一个复杂的、综合的多细胞生物的?

　　虽然发育生物学家长期以来一直在研究这个基本问题，但斯坦福大学生物学家和HHMI研究员多米尼克·伯格曼(Dominique Bergmann)最近对拟南芥(Arabidopsis thaliana)的研究发现了令人惊讶的答案。

　　在4月5日发表在《发育细胞》(Developmental Cell)杂志上的一项新研究中，伯格曼和博士后学者卡米拉·洛佩兹-阿尼多(Camila Lopez-Anido)领导的研究人员使用单细胞RNA测序技术，追踪了近2万个细胞在形成拟南opsis叶片表面和内部部分时的遗传活动。

　　通过这种非常详细的技术，研究人员捕获了短暂的和罕见的细胞状态，并发现了细胞如何穿越各种身份的惊人的大量模糊性，特别是在干细胞群体的早期。

　　虽然这个领域的许多科学家关注果蝇和蛔虫，但生物发育的某些方面只有通过研究其他生物才能理解，比如伯格曼实验室的专长拟南芥。

　　该研究的主要作者洛佩兹-阿尼多说:“当我们考虑面对不断变化的世界的灵活性和弹性时，我们想了解更多关于生物体在压力或暴露于极端环境时如何设法建立功能性身体的知识。”“这需要研究具有灵活和可调节生活方式的生物，比如我们研究的植物。”

　　作为艺术家家族的一员，Lopez-Anido也以独特的艺术视角来解读和分享这项研究。在这篇论文中，她使用了一种受点画派启发的分析软件来优雅地组织和可视化她的大量数据集。此外，她的妹妹，艺术家弗吉尼亚·洛佩兹-阿尼多，受卡米拉研究的启发创作了艺术作品，这些作品将出现在《发育细胞》的封面上。

　　虽然之前对拟南芥的实验已经发现了一些重要的基因和制造特化细胞的步骤，但这个新的细胞对细胞的数据填补了发育的额外细节。例如，研究人员发现，细胞可能会在它们似乎遵循的发育路径上折返，也可能跳跃前进。

　　他们还注意到，相对于旧干细胞，新干细胞调节细胞类型之间转变的方式可能存在差异;虽然他们之前知道细胞分化的核心步骤，但他们发现实际上有许多看似连续的小步骤。

　　一个特别有趣的发现与一个关键基因有关，这个基因被称为“无言”，它在气孔的形成中起作用，植物通过气孔交换气体并调节水分含量。伯格曼实验室对“无言”进行了广泛的研究，但新的数据暗示，它在发育过程中表达的时间比他们预期的要长。

　　在后续实验中，研究人员能够在该基因完成已知作用后选择性地移除它，但比新数据显示的完成表达的时间要早。果然，这些发展计划偏离了轨道——研究人员现在正在努力找出原因。

　　伯格曼说:“这与我们所知道的完全相反，这真的很令人兴奋。”“这让我们想要深入挖掘其他意想不到的细节——这些细节在数据中可能看起来微不足道——看看我们错过了什么。”

　　Bergmann认为Lopez-Anido和这项工作启发了几个研究途径，包括重新考虑作为干细胞的意义，重新定义定义最终分化阶段的事件，以及重新评估作为叶子顶部和底部的细胞出生的意义。

　　分析近2万个细胞和3万个基因的细胞身份需要机器学习算法。因此，洛佩斯-阿尼多围绕一种最广泛使用的分析工具创建了一个组织框架，这种工具被称为修拉，以点彩画画家乔治·修拉的名字命名。就像点画一样，代表单个细胞及其特定基因表达特征的单个点在可视化中混合在一起，使研究人员能够看到大规模的趋势。

　　维吉尼亚·洛佩斯-阿尼多以另一种方式将卡米拉的作品可视化。她创作了一系列关于科学探究本质的绘画(未命名，纸上铅笔，8.5 x 11.7英寸，2021年)，以及一系列组织景观的粘土模型，灵感来自于气孔的扫描电子显微镜图像(未命名，数码照片，2021年)，这些艺术作品将为《发育细胞》的封面添彩。

　　卡米拉·洛佩兹-阿尼多(Camila Lopez-Anido)在巴德学院(Bard College)通过公民科学项目教授科学素养，不久将在里德学院(Reed College)担任生物学助理教授。她说:“我喜欢与跨学科的艺术家和学者合作，因为这可以为科学带来新的意义，让科学更容易理解，这对我来说非常重要。”“我期待着为我的学员培养更多有意义的研究经验和合作。”