综述：利用单细胞技术解码植物细胞在响应、发育和进化过程中的异质性及动态变化

单细胞转录组学揭示植物细胞动态异质性及进化重编程机制，突破传统静态分类局限，整合空间组学与活体成像解析环境诱导的瞬态细胞状态，跨物种比较发现保守核心类型与快速转录重编程，计算策略解决基因组加倍同源性问题，为理解细胞可塑性提供多维框架。

东博史（Dongbo Shi）|杉本惠子（Keiko Sugimoto）|福岛健二（Kenji Fukushima）

日本神奈川县横滨市，理研可持续资源科学中心（RIKEN Center for Sustainable Resource Science）

单细胞技术正在重新定义植物细胞的身份。传统的分类方法基于细胞的位置、形态和少数标记基因，得出的细胞类别是静态且粗略的。相比之下，单细胞和单核RNA测序揭示了隐藏的细胞异质性，并重建了在看似特征明确的植物组织（包括维管组织和叶肉）中的发育轨迹。病原体攻击、干旱和损伤等环境信号会生成短暂且空间受限的细胞状态，而这些状态被批量分析所掩盖；通过将单细胞数据与空间转录组学和活体成像相结合，可以最好地解析这些动态变化。比较单细胞分析将这些见解扩展到进化过程中，揭示了保守的核心细胞类型群、特定谱系的创新以及某些细胞类型中的快速转录组重组。新兴的计算策略缓解了由基因组重复引起的同源性问题，使得跨物种图谱对齐成为可能。这些进展表明，植物细胞的身份是动态的、依赖于环境的，并且分布在连续的光谱上。我们认为，未来的研究框架应该平衡离散的细胞类型标签与基于状态的灵活描述，并整合多组学和空间信息，以捕捉植物细胞的全部可塑性，从短暂的压力反应到千年的进化变化。

引言

在多细胞生物中，细胞分化为每个细胞分配了特定的功能，因此精确划分细胞类型对生物学研究至关重要。在植物学的发展过程中，植物细胞的身份逐渐通过越来越多的可观察到的细胞特征来定义。早期的植物学家借助显微镜技术的进步，主要根据细胞的位置和形态对其进行分类。例如，薄壁细胞和厚角细胞是根据它们的细胞壁特征来区分的。后来，分子遗传学利用表现出不同转录本或启动子活性的标记基因，进一步细化了细胞鉴定。尽管这些经典标准奠定了基础，但它们仅提供了细胞类型和状态的静态且相对粗略的描述。

最近的技术进步改变了这一观点。尽管存在下文提到的实验挑战，单细胞RNA测序能够相对无偏地分析数千个单独的植物细胞，揭示了即使在被归为同一类型的细胞中也存在的隐藏异质性[1]。诸如空间转录组学[2]和单细胞表观遗传学[3]等创新方法通过原位绘制基因表达图谱并表征细胞类型特异性的染色质景观，进一步加深了我们的理解。在这里，我们讨论了单细胞方法如何重新定义植物细胞类型和状态的多样性，并能够追踪从快速的环境响应和发育转变到长期进化变化的各种动态变化。有关植物单细胞技术的最新进展，请参考最近的综述[4,5]。

在本综述中，我们将细胞类型定义为具有特征功能和分子特征的、在特定环境中稳定的类别。细胞状态是指由于细胞周期或环境信号等过程导致的可逆偏离其基线程序的状态。细胞身份与细胞类型密切相关，在这里我们用它来表示编码细胞类型的转录状态。

部分摘录

通过单细胞/单核转录组学鉴定细胞类型/状态

单细胞转录组学分析首先将植物组织分离成单个原生质体或细胞核，然后对每个分离体进行RNA测序。典型的协议可以捕获每个细胞中数百到数万个mRNA分子的表达谱。通过这种方式生成的基因计数矩阵允许进行无监督聚类，从而揭示出转录上定义的细胞群体，显著加速了稀有或形态上难以区分的植物细胞类型的发现。

这种方法

环境信号诱导新的细胞状态

植物对压力（如感染、干旱或盐度）的反应可能起源于局部组织区域，并在几分钟内发生变化，即使在相邻细胞之间也会产生不同的转录程序。由于批量RNA-seq平均了整个组织的信号，因此无法解析这些快速且空间受限的动态变化，常常会错过来自稀有或短暂细胞状态的转录信号（图1b）。最近的单细胞研究表明，单个细胞会对此作出反应

植物细胞身份的进化重塑

转录组进化是新形态和生理特征出现的基础[32]。跨物种比对细胞图谱可以揭示出在单独研究每个物种时无法看到的细胞类型组成的动态变化（图1c）。借助跨物种单细胞表达数据，并结合跨物种单细胞表观遗传学分析[33]，我们可以在细胞水平上提出各种问题，包括哪些祖先程序得以保留，哪些发生了变化

结论与展望

最近的单细胞研究表明，细胞群体比以前认为的更加异质、可塑且依赖于环境。这些发现涵盖了从短暂的环境响应到千年的进化变化等一系列生物学现象。单细胞转录组图谱经常揭示出隐藏的细胞类型和过渡状态，这些状态模糊了严格的界限。因此，细胞分类必须协调明确定义的类型和

作者贡献

D.S.、K.S.和K.F.参与了概念构思、写作和资金获取。D.S.和K.F.负责图表的制作。

利益冲突声明

没有需要披露的利益冲突。

致谢

我们感谢以下资助来源：JSPS KAKENHI（23K20050 资助K.F.；24K02051 资助K.S.）、三菱基金会（202411014 资助K.F.）、DFG（504847536 和 512328399 资助D.S.）、JST PRESTO（JPMJPR2046 资助D.S.）、JST GteX（JPMJGX23B 资助K.S.）以及JST ASPIRE（JPMJPR20D2 资助K.S.）。