空间转录组技术在植物研究中的应用及前景

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2025.01.002

植物研究 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (1): 3-14.doi: 10.7525/j.issn.1673-5102.2025.01.002

空间转录组技术在植物研究中的应用及前景

梅曼¹^,²^,³^,⁴, 王晨璨⁵, 蔺宏霞¹^,²^,³^,⁴, 张玉倩¹^,²^,³^,⁴, 丁文静¹^,²^,³^,⁴, 赵媛媛¹^,²^,³^,⁴()

^1.北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083
^2.北京林业大学生物科学与技术学院林木遗传育种全国重点实验室，北京 100083
^3.北京林业大学树木与基因编辑研究院，北京 100083
^4.北京林业大学林木育种与生态修复国家工程研究中心，北京 100083
^5.河北省农林科学院植物保护研究所，保定 071000

收稿日期:2024-10-10 出版日期:2025-01-20 发布日期:2025-01-23
通讯作者: 赵媛媛 E-mail:yyzhao@bjfu.edu.cn
作者简介:梅曼（2000—），女，硕士研究生，主要从事木本植物生长发育研究。
基金资助:
中国林木种子集团合作项目(2024-HXFW-168);北京林业大学“5?5工程”科研创新团队项目(BLRC2023C06)

Application and Prospect of Spatial Transcriptome Technology in Plant Research

Man MEI¹^,²^,³^,⁴, Chencan WANG⁵, Hongxia LIN¹^,²^,³^,⁴, Yuqian ZHANG¹^,²^,³^,⁴, Wenjing DING¹^,²^,³^,⁴, Yuanyuan ZHAO¹^,²^,³^,⁴()

^1.College of Biological Sciences and Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083
^2.State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding，College of Biological Sciences and Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083
^3.Institute of Tree and Genome Editing，Beijing Forestry University，Beijing 100083
^4.National Engineering Research Center of Tree Breeding and Ecological Restoration，Beijing Forestry University，Beijing 100083
^5.Plant Protection Institute，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Baoding 071000

Received:2024-10-10 Online:2025-01-20 Published:2025-01-23
Contact: Yuanyuan ZHAO E-mail:yyzhao@bjfu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

空间转录组（spatial transcriptomics，ST）是一种用于从空间层面上解析RNA-seq数据的技术，利用该技术解析单个组织切片中的所有mRNA。空间条形码逆转录oligo（dT）引物在显微镜载玻片表面的有序附着，使得在mRNA样品处理和后续测序过程中编码和获取位置信息成为可能。与传统的转录组技术相比，空间转录组技术能获得细胞在组织原位环境下真实的基因表达特征，以及与微环境的关系，为基因表达提供高精度、高分辨率原位的空间信息。近年来，空间转录组技术取得了重要进展，检测的细胞通量、转录本数量和质量不断提高，空间定位信息更加准确全面，并已在拟南芥（Arabidopsis thaliana）、水稻（Oryza sativa）、杨树（Populus）等植物中展开研究。该文阐述了空间转录组技术在植物动态发育轨迹、不同组织和细胞类型差异分析、解码植物与微生物群相互作用等研究中的成功应用，讨论了空间转录组测序在植物组织原位测序中存在的问题和挑战，揭示了其在植物研究中的巨大潜力，为相关领域的进一步研究和应用提供了新的视角。

关键词: 空间转录组技术, 空间分布模式, 发育谱系, 细胞类型鉴定, 细胞间相互作用

Abstract:

Spatial transcriptomics（ST） is a technique used to resolve RNA-seq data at the spatial level， thereby resolving all mRNA in a single tissue section. The orderly attachment of spatial barcoding oligo（dT） primers to the surface of microscope slides makes it possible to encode and obtain positional information during mRNA sample processing and subsequent sequencing. Compared with the traditional transcriptome technology， the spatial transcriptome technology can obtain the true gene expression characteristics of cells in the in-situ environment of tissues and the relationship with the microenvironment， and provide high-precision and high-resolution in-situ spatial information for gene expression. In recent years， the development of spatial transcriptome technology has made significant progress. The detected cell flow， the quantity and quality of transcripts are continuously improved， and spatial location information is more accurate and comprehensive. It has been studied in Arabidopsis thaliana， Oryza sativa， and Populus， etc. In this paper， the successful applications of spatial transcriptome technology in the study of plant dynamic development trajectory， the analysis of differences between different tissues and cell types， and decoding of the interaction between plants and microbial communities were described. The problems and challenges of space transcriptome sequencing technology in plant research were discussed， and the great potential of space transcriptome technology in plant research was revealed， which provided a new perspective for further research and application in related fields.

Key words: spatial transcriptome technology, spatial distribution patterns, developmental lineages, cell type identification, cell-to-cell interactions

中图分类号:

梅曼, 王晨璨, 蔺宏霞, 张玉倩, 丁文静, 赵媛媛. 空间转录组技术在植物研究中的应用及前景[J]. 植物研究, 2025, 45(1): 3-14.

Man MEI, Chencan WANG, Hongxia LIN, Yuqian ZHANG, Wenjing DING, Yuanyuan ZHAO. Application and Prospect of Spatial Transcriptome Technology in Plant Research[J]. Bulletin of Botanical Research, 2025, 45(1): 3-14.

图/表 4

表1

不同类型空间转录组技术特点比较

技术类型 Technical type	技术名称 Technical name	技术特点 Technical characteristics	优点 Advantage	缺点 Disadvantage
基于激光捕获显微切割	LCM-seq	进行特定区域切割，结合NGS测序获得单细胞转录组数据	为分离的区域提供空间信息	切割步骤繁琐，低通量
基于激光捕获显微切割	GEO-seq	对组织进行染色、LCM切割，Smart2-seq进行建库及测序	比LCM-seq更灵敏	切割步骤繁琐，低通量
基于荧光原位杂交	FISSEQ	双碱基测序技术SOLiD原位测序	非靶标	低检测效率
	MERFISH	原位荧光杂交和成像分析	高度多元化	视野有限，操作复杂
	osmFISH	一种非条形码技术	复用能力较低	能较好地处理较大组织区域
	BaristaSeq	基于缺口填充挂锁探针进行原位测序	读取长度增加到15个碱基	视野有限
	STARmap	基于DNA串联测序技术，利用DNA的互补配对原则和荧光染料标记的核苷酸探针进行序列测定	能够对完整的组织样本进行3D分析，保留细胞方向性	只能应用于100~150 μm厚的切片和较少的目标数量
基于原位捕获测序	Visium	高通量测序结合原位捕获信息，绘制复杂组织样品的空间基因表达图谱	可从组织切片中获取细胞的转录组信息及位置信息	低分辨率，捕获区域包含多个细胞
	Slide-seq	将组织切片贴在带有DNA条形码的玻璃片上进行高通量测序，获得单细胞转录组数据和组织结构信息	高通量，高分辨率	低灵敏度
	HDST	探针杂交	提高空间分辨率	高成本，捕获效率低
	DbiT-seq	在切片组织中共同绘制mRNA和蛋白质定位	高通量，高分辨率	存在微流体扩散
	Stereo-seq	时空捕获芯片，结合原位RNA捕获	实现500 nm的分辨率，基因与影像同时分析	捕获区域不遵循细胞的复杂轮廓
	Seq-Scope	对mRNA catcher扩增，得到组织不同部位的细胞转录组信息	高分辨率	相对较低的检测灵敏度

表1

图1

图2

表2

参考文献 68

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