全 文 :植物科学学报 2016ꎬ 34(3): 475~487
Plant Science Journal http: / / www.plantscience.cn
DOI:10 11913 / PSJ 2095 ̄0837 2016 30475
何宇清ꎬ 孙蒙祥. 单细胞技术进展及其在植物研究中的应用[J] . 植物科学学报ꎬ 2016ꎬ 34(3): 475-487
He YQꎬ Sun MX. Advances in single ̄cell technology and their application in plant research[J] .Plant Science Journalꎬ 2016ꎬ 34(3): 475-
487
单细胞技术进展及其在植物研究中的应用
何宇清ꎬ 孙蒙祥∗
(武汉大学生命科学学院ꎬ 杂交水稻国家重点实验室ꎬ 武汉 430072)
摘 要: 多细胞生物体的生存依赖于不同类型细胞特异性的功能分工ꎬ 不同类型的细胞尽管基因组相同ꎬ 但有其
独特的发育过程和应对环境变化的能力ꎮ 生物学的一大挑战就是揭示基因如何在正确的位置、 正确的时间表达
到正确的水平ꎬ 最近出现了很多通过细胞类型特异性方法研究单细胞组学的工具ꎬ 这些新技术使我们能通过空
前分辨率ꎬ 理解多细胞生物体内不同类型的单个细胞基因表达特点及其适应环境变化的机制ꎮ 单细胞样品的获
取一直是单细胞研究的一大技术瓶颈ꎬ 因此本文将以如何获得起始材料为重点ꎬ 探讨单细胞研究的样品标记、
单细胞分离及获取、 组学数据分析和结果验证等技术方法及其在植物研究中的应用ꎮ
关键词: 细胞类型特异性ꎻ 荧光激活细胞分离ꎻ 激光显微切割ꎻ 微流控芯片ꎻ 单细胞技术
中图分类号: Q943 文献标识码: A 文章编号: 2095 ̄0837(2016)03 ̄0475 ̄13
收稿日期: 2015 ̄12 ̄18ꎬ 退修日期: 2016 ̄01 ̄19ꎮ
基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金项目(31401416)ꎮ
This work was supported by a grant from the National Natural Science Foundation of China (31401416) .
作者简介: 何宇清ꎬ 女ꎬ 理科博士ꎬ 研究方向为发育生物学(E ̄mail: yqhe@whu edu cn)ꎮ
∗通讯作者(Author for correspondence E ̄mail: mxsun@whu edu cn)ꎮ
Advances in Single ̄Cell Technology and Their
Application in Plant Research
HE Yu ̄Qingꎬ SUN Meng ̄Xiang∗
(College of Life Scienceꎬ State Key Laboratory of Hybrid Riceꎬ Wuhan Universityꎬ Wuhan 430072ꎬ China)
Abstract: The survival of multicellular organisms depends on the functional division of different
types of cells. Although specific cell types share the same genomeꎬ they have unique
developmental programsꎬ as well as different abilities to play their role during development
and respond to environmental variation. Thusꎬ a key challenge in biology is to understand how
genes are expressed in the right cells at the right time and at the right level. Recentlyꎬ many
novel tools have been developed for single ̄cell ̄omics research using cell ̄type ̄specific
methods. These innovations enable us to understand the mechanisms of gene regulation in
single cells and their adaptation to environmental changes with unprecedented resolution. The
isolation of single ̄cell samples has long been a bottleneck to relevant studyꎻ howeverꎬ there
are some useful techniques available. In this paperꎬ we discuss techniques for sample
labelingꎬ isolation and collection of single cellsꎬ  ̄omics data analysis and validation for single ̄
cell analysisꎬ and their application for plant research.
Key words: Cell ̄type ̄specificꎻ Fluorescence activated cell sortingꎻ Laser microdissectionꎻ
Microfluidicsꎻ Single ̄cell technology
多细胞生物体由不同形态、 功能的各类细胞构
成ꎬ 而不同类型的细胞具有不同的基因表达模式和
蛋白组成ꎮ 传统的生物学主要建立在细胞群体研究
的基础上ꎬ 并因忽略了细胞之间的异质性(hetero ̄
geneity)ꎬ 可能会使实验结果产生偏差ꎬ 甚至得出
错误的结论ꎬ 因此开展单细胞研究有助于正确认识
不同细胞类型在发育过程中的作用及其独特的调控
规律ꎮ 随着现代科技的飞速发展ꎬ 单细胞研究技术
日益受到关注ꎮ 2013年 12月 6日 Science出版了
“Single ̄cell Biology”专刊讨论单细胞技术ꎻ Na ̄
ture Methods 也把单细胞测序和激光片层扫描显
微技术分别作为 2013、 2014年的年度方法ꎬ 并在
次年首刊专述ꎻ 近年来ꎬ 单细胞测序( single ̄cell
sequencing) [1]、 单细胞质谱 ( single ̄cell mass
spectrometry) [2ꎬ3]、 微流控芯片 (microfluidics /
lab ̄on ̄a ̄chip) [4ꎬ5] 和激光层照荧光显微 ( light ̄
sheet fluorescence microscopy) [6]等技术的发展
为单细胞研究提供了更有效的方法[7ꎬ8]ꎮ 目前ꎬ 随
着各类组学(基因组学、 转录组学、 蛋白组学和代
谢组学等)的发展ꎬ 单细胞技术不仅广泛应用于生
物和医学领域ꎬ 如神经细胞活动[6ꎬ9ꎬ10]、 循环肿瘤
细胞检测[11ꎬ12]、 干细胞和胚胎发育[4ꎬ13ꎬ14]等ꎬ 而
且在植物的逆境胁迫[15ꎬ16]、 信号转导[17]、 开花调
控[18]、 生殖和胚胎发育[19ꎬ20]、 植物与菌类互
作[21]、 藻类代谢[22]等研究中也具有重要作用ꎮ 本
文将以单细胞研究的常规流程为序ꎬ 探讨单细胞技
术的发展现状及其在植物研究中的应用ꎮ
1 单细胞样品的标记
不论研究材料是何种细胞、 细胞核、 蛋白质或
其复合体ꎬ 除了少数不易或不必标记的细胞ꎬ 如合
子、 花粉等ꎬ 目前的单细胞研究方法一般都需要标
记目标细胞样品ꎮ 标记方法主要包括两类[23]: 一
是转基因方法ꎬ 即通过转基因技术在样品中转入一
个表位标记融合蛋白ꎻ 二是免疫染色法ꎬ 即通过外
源的细胞类型特异性免疫标签标记细胞样品ꎮ 其
中ꎬ 转基因方法适用于基因组易操作的模式生物ꎬ
如拟南芥(Arabidopsis thaliana (L.) Heynh)、 水
稻(Oryza sativa L.)、 莱茵衣藻(Chlamydomonas
reinhardtii)等ꎬ 而免疫染色法适用于基因组不能操
作的样品ꎬ 如人类组织ꎮ
转基因方法的优点是适用范围广ꎮ 模式生物都
有支持细胞类型特异性转基因载体表达的工具ꎬ 并
且一般为转入 2个基因的双元表达系统ꎬ 如 Gal4 /
UAS系统、 Cre / LoxP 重组酶系统等[24-26]ꎮ 植物
中通常使用 GFP(绿色荧光蛋白)标记[27]ꎮ 标记方
法是否具有细胞类型特异性将关系到试验的成败ꎬ
因此建议使用前先通过免疫组化实验验证标签蛋白
的表达部位ꎬ 并将结果与目标细胞类型的已知标记
方法进行比较ꎬ 以决定是否使用ꎮ 转基因方法的局
限性是可能导致预期外的表型ꎮ 很多转基因融合蛋
白的表达水平都在生物体的承受范围内ꎬ 但与对照
样品相比ꎬ 仍可能会对整个基因组产生微妙的影
响[23]ꎮ 因此ꎬ 采用转基因方法进行单细胞组学分
析时ꎬ 应注意选择合适的对照样品ꎮ
免疫染色法的优点是可用于基因组不能操作的
样品ꎬ 并能避免转基因操作导致的很多问题ꎻ 局限
性在于有些细胞类型尚未找到其特异性的外源标
记ꎮ 此外ꎬ 免疫染色法的操作步骤复杂繁琐ꎬ 可能
会导致样品降解而使 RNA 分析困难ꎮ 转基因方法
的操作相对简单ꎬ RNA分析结果也更为可靠ꎮ
2 常用的单细胞样品获取技术
目前常用的单细胞样品获取技术包括流式细胞
术( flow cytometry)、 激光显微切割技术( laser mi ̄
crodissectionꎬ LMD)、 有限稀释法( limiting dilu ̄
tion)、 手工分离法(manual cell picking)、 微流控
芯片技术 (microfluidics / lab ̄on ̄a ̄chip)等ꎮ 获取
方法的选择需考虑样品的特性、 来源以及拟采用的
处理、 分析方法[28]ꎮ
2 1 流式细胞术
流式细胞术是通过流式细胞仪对细胞或细胞器
进行自动分析和分选的技术ꎬ 它是 1934 年由
Moldavan首次提出[29]的ꎬ 其后又经过不断地改进
和完善[30-32]ꎮ 其中ꎬ 荧光激活细胞分选仪( fluo ̄
rescence activated cell sorterꎬ FACS)采用激光
激发技术ꎬ 不仅能分离单个细胞样品ꎬ 还能对单个
细胞的理化特性进行多参数定量分析ꎮ 细胞样品的
特性如相对大小和粒度等ꎬ 可以由其经激光束照射
产生的前向散射光(FSC)和侧向散射光(SSC)参
数得出ꎮ FACS系统可以检测出多种细胞类型特异
性激发荧光信号ꎬ 其工作原理为: 细胞样品经荧光
染色后ꎬ 受气压驱动进入充满鞘液的流动室ꎬ 并在
鞘液的约束下排成单列ꎬ 再由流动室的喷嘴喷出ꎻ
超声振荡搅动液流ꎬ 使液流断裂成一连串均匀的小
液滴ꎬ 并且每个小液滴最多含有一个细胞ꎻ 细胞经
激光照射产生荧光和散射光信号ꎻ 下游的光学系统
收集、 分析细胞特异性信号并进行相应的操作ꎮ 细
674 植 物 科 学 学 报 第 34卷
胞经激光照射产生的信号ꎬ 依赖于其各自的理化或
光学特性ꎬ 并且这些信号通常能被荧光染料等人工
合成的标记所增强ꎮ 除了能分析细胞的大小和计数
外ꎬ FACS还能对细胞进行分选ꎮ 如果样品细胞的
信号与目标细胞的特性相符ꎬ 则在刚形成液滴时被
选择性地瞬间感应正电荷、 负电荷或不带电荷ꎬ 从
而在电磁场的作用下发生偏转并进入对应的收集管ꎮ
FACS仪器昂贵ꎬ 但分离细胞准确快速ꎬ 能够
保持细胞活力ꎬ 并且可以在无菌条件下进行ꎮ
FACS已经成为公认的分析和分选不同细胞群的全
球仪器标准[33]ꎬ 可被广泛应用于 DNA 含量分析、
免疫表型、 可溶性分子量化、 细胞周期分析、 造血
干细胞、 细胞凋亡、 亚细胞群定量、 微生物分析、
癌症诊断等[28]ꎮ FACS 分析样品的范围几乎涵盖
了所有的细胞类型ꎬ 包括血液、 骨髓、 肿瘤、 植
物、 原生质体、 酵母、 细菌ꎬ 甚至病毒[28]ꎮ
2 2 激光显微切割技术
激光显微切割技术是通过激光切割将单个细胞
或细胞器从组织切片中分离出来[34]ꎬ 现已发展了
多种平台ꎬ 如激光显微切割捕获技术( laser cap ̄
ture microdissectionꎬ LCM)和激光显微切割加压
弹射技术 ( laser microdissection and pressure
catapultingꎬ LPC)等ꎮ 操作者在显微镜下观察切
片ꎬ 并定位目标细胞ꎻ 然后ꎬ 在计算机显示屏幕上
对目标细胞区域划线做标记ꎻ 再用激光切割划线区
域以提取目标细胞ꎮ 激光显微切割仪的切割程序通
常是相同的ꎬ 但按照提取细胞样品的方法ꎬ 可将设
备分为三类: (1)基于接触的方法ꎮ 通过低能红外
激光脉冲激活覆在透明塑料帽上的热塑膜ꎬ 然后将
目标样品粘到该膜上ꎮ (2)无接触重力辅助显微切
割法 ( gravity ̄assisted microdissectionꎬ GAM)ꎮ
切片倒置且位于收集管的上方ꎻ 经紫外激光切割
后ꎬ 目标样品在重力作用下进入收集管ꎮ (3)无接
触激光压力弹射法ꎮ 通过紫外激光诱导的压力波触
发样品下方的膜ꎬ 使样品克服重力并被弹入其上方
的收集管内[35ꎬ36]ꎮ
LMD分离单细胞样品的效率低于 FACSꎬ 但
其快速、 准确、 方便ꎮ 激光切割的样品不受组织类
型的限制ꎬ 通常采用甲醛固定、 石蜡包埋或冰冻固
定[37]ꎮ 有的 LMD设备甚至允许切割活体组织ꎬ 获
取活细胞用于培养或分析[19]ꎮ LMD 结合免疫组化
染色技术是单细胞水平切片分析的强大工具[38]ꎬ
目前已报道了各种基于 LMD 获取样品的单细胞研
究技术ꎬ 如单细胞 RT ̄PCR[39]、 短串联重复序列
(STR)的法医取证分析[40]、 Western blot 和质谱
分析[41]等ꎮ
2 3 有限稀释法
有限稀释法是用自制吸针或移液机器人从稀释
后的细胞悬浮液中分离单个细胞的方法[42-44]ꎬ 已
被长期用于单克隆细胞培养ꎮ 依据统计学原理ꎬ 细
胞悬浮液被高度稀释后ꎬ 当分装的液滴足够小时ꎬ
其含有的样品数可以低于一个细胞ꎬ 且这种低浓度
的细胞接种很容易通过标准的移液工具实现ꎬ 但悬
浮液滴中含有单细胞的几率只是基于统计学原理分
析ꎬ 实际分离效率很难保证ꎮ 每个液滴中含有各种
细胞数目(如 0、 1、 2、 个 /滴)的几率符合泊
松分布(Poisson’s distribution)规律[45]ꎬ 因此为
了提高单细胞并降低多细胞样品出现的几率ꎬ 样品
必须进行足够的稀释ꎮ 通常按照每个液滴中细胞数
目低于 1的标准(通常为 05 ~ 09 个)稀释样本ꎬ
如: 假定分装的体积为 10 μLꎬ 则稀释后的细胞浓
度应低于 1个 / 10 μLꎬ 即 100个 / mLꎮ 按照泊松分
布规律ꎬ 分装后含有单细胞样品的容器数目平均约
为总数的三分之一ꎬ 但每个分装容器中是否含有单
细胞ꎬ 还需要其它实验证实ꎬ 如显微镜观察等ꎮ
2 4 手工分离法
手工分离单细胞样品可以通过纯手工或显微操
作仪进行ꎬ 其中ꎬ 显微操作仪通常由倒置显微镜结
合电动机械控制的微针构成ꎻ 微针是一根具有吸头
的毛细玻璃管ꎮ 操作者在显微镜下寻找悬浮于液滴
中的目标细胞样品ꎬ 手工或通过显微操作仪将微针
靠近并吸取目标细胞ꎬ 然后转移至收集容器ꎮ
手工显微操作不仅能分离活细胞ꎬ 甚至能分离
原核细胞[46]ꎻ 其应用范围涵盖细菌分析[47]、 生殖
医学[48]、 法医学[49]、 植物生殖和胚胎发育[20ꎬ50ꎬ51]
等ꎮ
2 5 微流控芯片技术
微流控芯片技术是指将样品的制备、 反应、 分
离、 检测等基本操作单元集成到面积较小的芯片
(通常为几平方厘米)上ꎬ 以完成不同反应并对其
产物进行分析的技术ꎮ 近年来ꎬ 大量文献报道了用
于单细胞分析的微流控装置方案[4ꎬ5ꎬ52]ꎬ 其中能用
于单细胞分离和操作的设备装置多基于以下三种原
理中的至少一种[28]: 油基液滴分离[53]、 气动微
774 第 3期 何宇清等: 单细胞技术进展及其在植物研究中的应用
阀[54]、 流体动力学细胞陷阱[55]技术ꎮ
油基液滴分离技术是用充满油的通道来支持分
离的悬浮液滴(类似于乳状液)ꎬ 单细胞因被包含
于这些液滴中而被分离ꎮ 油基液滴分离装置既能遵
循泊松分布规律随机分离单细胞样品[53]ꎬ 也能高
效率(> 80%)、 高产量地分离单细胞样品[56]ꎬ 其
分拣效率可高达每秒数千个细胞[56]ꎮ
气动微阀技术通过压缩空气使弹性膜发生偏
转ꎬ 从而关闭其下方的微流控通道ꎬ 并能数字化控
制微流控网络通道的开关和闭合ꎮ 这项技术需要细
胞探测单元或操作人员逐个地分离细胞ꎬ 故相对于
油基液滴分离技术其细胞产量较低ꎮ
流体动力学细胞陷阱是只允许一个细胞进入
“陷阱”的微流控被动通道结构ꎮ 按照给定细胞大
小的平均值ꎬ “陷阱”的大小被调节到只允许单一
细胞通过ꎬ 因而两个细胞同时通过的可能性被降至
最低ꎮ 此装置能通过平行配置很多“陷阱”来操作
大量的细胞[55]ꎬ 如 Fluidigm 公司的商务系统 C1ꎬ
能平行分离 96 个单细胞样品用于下游的遗传分
析ꎮ 流体动力学细胞陷阱甚至能通过集成手动移液
管ꎬ 在没有显微镜的条件下人工分拣单细胞样
品[57]ꎮ
此外ꎬ Ateya 等[58]提出了基于微流控芯片的
小型流式细胞仪技术ꎮ 其研究目标之一是将流式细
胞仪的优势(如细胞分拣和计数等)ꎬ 与微流控装
置小巧实惠、 便携可移的特点相结合ꎮ 目前ꎬ 微流
控芯片技术的单细胞应用还停留在实验室阶段ꎬ 大
多只服务于特定的程序ꎬ 与其匹配的上游样品制备
和下游分析方法灵活性较小ꎮ 未来需增加接口的灵
活性ꎬ 使其适用于更多的上下游实验[28]ꎮ
微流控芯片技术能够分选的单细胞样品很多ꎬ
包括神经细胞[9ꎬ10]、 循环肿瘤细胞[12ꎬ59]、 血细
胞[60]、 干细胞[4]、 蓝藻[61]等ꎮ 微流控芯片技术应
用于植物样品分析领域起步较晚ꎬ 主要集中于根的
生理活动和基因组分析[62-65]、 花粉管极性生长研
究[66-69]、 原生质体培养[70ꎬ71]、 植物病原菌检
测[72ꎬ73]、 微藻研究[74-77]等ꎮ 在单细胞分析方面ꎬ
微流控芯片技术能用于原生质体的生长素[78]和活
性氧[79]检测ꎬ 但用于植物细胞分选的报道尚不多
见[80]ꎮ
对常用的 5种单细胞样品获取技术的特点进行
归纳比较的结果详见表 1ꎮ
3 植物单细胞样品的获取
植物研究中ꎬ 通常将单细胞获取技术与传统的
原生质体分离和细胞培养技术相结合来获取单细胞
样品ꎮ
3 1 通过荧光激活细胞分选仪提取植物单细胞
样品
荧光激活细胞分选仪已被广泛应用于提取拟用
于后续研究的植物单一细胞或细胞器ꎬ 如细胞
核[81-84]、 叶绿体[85] 等ꎮ 其常用转基因系统为
Gal4 / UAS和 GFP 蛋白ꎻ 分析的细胞系包括根或
叶的原生质体[86ꎬ87]、 胚乳细胞[83]、 小孢子和精细
胞[82ꎬ88]等ꎮ 最早将 FACS 用于植物基因组芯片分
析的是 Birnbaum[27ꎬ89]和 Brady[90]ꎻ 研究者通过
FACS分选、 收集 GFP 阳性细胞ꎬ 分析了不同生
长环境下(正常营养水平、 盐胁迫、 铁剥夺或氮处
理)拟南芥根的转录谱ꎬ 发现了传统研究群体细胞
的方法所不能揭示的新的细胞类型特异性基因表达
模式ꎬ 其结论已被原位杂交等其它多种技术证
实[91-93]ꎻ Moussaieff等[94]则用 FACS 分离了拟南
芥根的不同组成细胞ꎬ 并进行了代谢组分析ꎮ 拟南
芥的叶片由多种不同类别、 不同发育时期的细胞和
结构组成ꎬ 其基因组研究是一个巨大的挑战ꎮ
Grønlund等[87]成功地将 FACS 与原生质体分离技
表 1 常用的 5种单细胞样品获取技术特点比较
Table 1 Comprehensive comparisons among five single ̄cell isolation techniques
分离方法
Isolation technique
准确性
Accuracy
速度
Speed
自动化程度
Automation level
适用样品
Samples for
application
成本
Cost
流式细胞术 FACS 高 快 高 荧光标记的细胞或细胞器 高
激光显微切割技术 LMD 高 快 中等 切片或活体组织 中等
有限稀释法 Limiting dilution 高 中等 低 单克隆细胞培养 低
手工分离法 Manual cell picking 高 慢 低 生殖或胚胎细胞 低
微流控芯片技术 Microfluidics 高 因设备而异 高 与定制设备相符的细胞 中等
874 植 物 科 学 学 报 第 34卷
术相结合ꎬ 研究了拟南芥不同突变体的叶片在发
育、 胁迫和衰老不同阶段的细胞类型特异性基因表
达模式ꎻ Warnasooriya和 Montgomery通过 FACS
结合 Gal4 / UAS 转基因系统和基因芯片分析技术ꎬ
研究了拟南芥不同组织或器官中的光敏色素是否介
导了不同的光敏色素反应[95]ꎻ Berendzen 等[17]用
FACS技术筛选出拟南芥 CPK3(Calcium Depen ̄
dent Protein Kinase 3)的作用蛋白 APX3、 HMGB5、
ORP2Aꎬ 以及 At2g39050编码的蛋白ꎬ 并用 BiFC
和 FRET ̄FLIM技术进行了验证ꎻ Slane 等[96]将早
期胚体、 胚柄或整个胚胎的细胞特异性启动子与
nGFP(nuclear ̄localized GFP)连接并转入拟南芥ꎬ
通过 FANS ( fluorescence ̄activated nuclear sor ̄
ting)技术分离、 筛选细胞核ꎬ 再结合基因芯片技
术ꎬ 鉴定了早期胚体和胚柄的基因表达谱ꎬ 分析了
其差异表达基因ꎮ 模式植物水稻细胞类型特异性反
应的 FACS 分析技术已被建立[15ꎬ97]ꎮ FACS 还被
用于蔗糖转运蛋白的功能研究[98]、 羧酸酯酶在原
生质体内的表达[99]、 细胞代谢工程[81]、 植物与菌
类互作[21]、 藻类的脂质合成和代谢 (尼罗红标
记) [22]等ꎮ
3 2 通过激光显微切割技术提取植物单细胞样品
激光显微切割技术用于植物样品的制备约始于
1992 年[100]ꎬ 近年来发展尤为迅速[101-103]ꎬ 其在
植物单细胞组学研究中应用广泛ꎮ LMD 的实验材
料可以是不同物种、 不同组织和器官 (如: 根、
叶、 胚等)的活体组织、 石蜡切片或冷冻切片ꎮ
Schnable研究组将 LCM 与基因芯片技术相结合ꎬ
分析了玉米(Zea mays L.)胚芽鞘的表皮细胞和维
管组织ꎬ 以及顶端分生组织的基因表达谱[104ꎬ105]ꎻ
Dembinsky等[106]则采用 LCM 结合基因芯片和质
谱技术ꎬ 比较了玉米侧根起始细胞与中柱鞘细胞第
一次分裂前的基因表达谱和蛋白质谱ꎬ 确定了侧根
起始和中柱鞘分化存在不同的基因调控机制ꎮ
LCM也被用于模式植物水稻(Oryza sativa L.)样
品的研究ꎮ 早在 2002 年 Asano 等[107]通过 LCM
技术分离出水稻叶片的韧皮部细胞ꎬ 建立 cDNA
文库并进行了基因序列分析ꎻ Lu 等[16]以水稻幼苗
的叶片表皮细胞为材料ꎬ 将 LCM 与高通量
ssRNA ̄seq测序 ( strand ̄specific complementary
DNA sequencing) 技术相结合ꎬ 采用不同胁迫
(盐、 干旱、 冷)处理ꎬ 鉴定了水稻中新的顺式天
然反义转录本( cis ̄natural antisense transcriptsꎬ
cis ̄NATs)ꎮ
FACS适合数目众多、 易于获取的荧光标记转
基因单细胞系的筛选ꎬ 而 LCM 更适合数量有限、
不易获取的单个细胞的样本制备ꎬ 如生殖或胚胎
等ꎮ 目前ꎬ 已建立了 LCM结合 RNA测序分析拟南
芥中央细胞转录谱的技术[108ꎬ109]ꎮ Tucker 等[110]应
用 LCM 研究了拟南芥 sRNA(small RNA)ARGO ̄
NAUTE5(AGO5)在雌配子体发育中的功能ꎬ 发现
其参与的调控途径独立于 AGO9ꎻ AGO9抑制功能
大孢子发育ꎬ AGO5 则促进雌配子体发生ꎬ 二者
共同作用于大孢子发生向雌配子体形成的转化过
程ꎮ Lindsey研究组通过 LCM 切割收集拟南芥球
形胚、 心形胚和鱼雷形胚的顶、 基端细胞ꎬ 结合
基因芯片技术研究了胚胎发育不同时期的基因表达
谱[111-113]ꎮ LCM还被用于拟南芥种子中父母本印
记基因的研究[114]ꎮ Torti等[18]应用 LCM 结合测序
技术ꎬ 分析了长日照条件下拟南芥顶端分生组织向
花序分生组织转化的转录谱ꎬ 并鉴定了其关键基因
FLOR1ꎮ Ma 等[20]通过 LCM 分离烟草(Nicotiana
tabacum L.)二胞原胚的顶细胞和基细胞ꎬ 建立了
顶细胞、 基细胞 cDNA 文库ꎻ 序列分析和定量
PCR试验表明ꎬ 合子的不对称分裂将转录本不均
匀地分配到顶细胞和基细胞中ꎬ 可能是致使这二种
细胞发育命运不同的原因之一ꎮ 长期以来ꎬ 研究者
推测胚柄可能也具有发育为胚的能力ꎬ 且这种能力
在胚存在时会被胚和胚柄之间的相互作用所抑制ꎬ
但一直缺乏直接的证据ꎮ Liu等[19]应用体内活细胞
激光切割技术直接巧妙地验证了这个假说: 当拟南
芥的胚体被 LCM去除后ꎬ 胚柄细胞能发育成次生
胚ꎻ 激光切除胚体后生长素在胚柄中的重新分配可
能在胚柄发育命运的转变中扮演着重要角色ꎮ
Elhiti 等[115]通过 LCM 切割油菜(Brassica napus
L.)小孢子胚的顶端分生组织研究了 BnSTM 在小
孢子胚形态建成方面的功能ꎮ Kaspar 等[116] 将
LPC 与 LC ̄MS 质谱技术相结合ꎬ 分析了大麦
(Hordeum vulgare L.)谷粒发育过程中珠心突起
(nucellar projection)和胚乳转移细胞(endosperm
transfer cells)的蛋白质组ꎬ 揭示了其细胞类型特
异性功能ꎮ Barcala 等[117]以拟南芥和西红柿(So ̄
lanum lycopersicum L.)为材料ꎬ 通过 LCM 结合
冷冻切片和基因芯片技术ꎬ 研究了植物与线虫之间
974 第 3期 何宇清等: 单细胞技术进展及其在植物研究中的应用
的相互作用ꎮ
3 3 通过手工分离法提取植物单细胞样品
植物体的大部分细胞都能通过 FACS 或 LCM
技术获取ꎬ 但某些特殊的细胞ꎬ 如植物精细胞、 卵
细胞、 合子、 二胞原胚和幼胚等ꎬ 因其深埋于母体
组织且数目稀少[118ꎬ119]ꎬ 仍需通过手工分离才能得
到ꎮ 近年来ꎬ 通过手工分离出少量植物生殖或胚胎
细胞进行体外融合[120]、 培养[121]、 单细胞压
片[50]、 超微结构观察[122]或提取 RNA 建立 cDNA
文库ꎬ 并且与其相关的后续分析[123-125]的技术平台
也已发展成熟ꎮ
4 组学分析及其结果验证
组学主要包括基因组学、 转录组学、 蛋白组
学、 代谢组学等ꎬ 数据分析是其重要的组成部分ꎬ
且日益受到研究者的重视ꎮ 用于高通量组学的生物
信息学和统计工具也越来越多ꎬ 包括: 基因组分析
工 具 Cuffdiff、 baySeq、 edgeR、 DESeq、 dif ̄
freps、 bitSeq 等[126ꎬ 127]ꎻ 蛋白质组分析工具 Se ̄
quest[128]、 Mascot[129]等ꎻ 代谢组分析工具 XC ̄
MS Online[130]、 MarkerView[131] 等ꎮ 这些组学分
析与统计工具既有商用软件ꎬ 也有开源软件ꎮ 为了
协助计算分析ꎬ 在实验设计中所有与组学分析相关
的事项都应该考虑ꎬ 其中测序的深度和实验重复设
置次数关系到基因组分析结果的可靠性[132]ꎻ 尤其
是测定不同类型细胞转录相对丰度的 RNA ̄seqꎬ
使用 spike ̄in RNAs等内参能大大提高其不同样本
之间分析的准确性[133]ꎮ 通常ꎬ 这些分析都会输出
一个列表ꎬ 内容包括每种细胞类型特异性表达的基
因或特性ꎮ 高通量测序或蛋白质组实验ꎬ 一般要求
设置 3 ~ 4次生物学重复ꎻ 代谢组学则不同ꎬ 要求
重复次数往往更多[134]ꎮ
一旦某段基因序列、 染色质或 mRNA 转录本
被认定为具有细胞类型特异性ꎬ 则后续最重要的工
作就是观察验证ꎬ 其常用的验证方法包括计算分
析、 定量 PCR、 使用报告工具的图像分析等ꎮ 计
算实验重复次数与样本对照之间的关联有助于评估
数据质量及实验设计的优劣ꎮ 实验数据常用的分析
方法分为非监督方法(unsupervised method)和有
监督方法(supervised method)ꎮ 其中ꎬ 非监督方
法包括主成分分析 ( principle component analy ̄
sis)和聚类分析(cluster analysis)等ꎬ 有监督方法
包括偏最小二乘法 ̄判别分析(PLS ̄Discriminant a ̄
nalysis)和正交信号校正的偏最小二乘法 ̄判别分析
( OPLS ̄Discriminant analysis ) 等[135ꎬ136]ꎮ Gene
ontology(GO)分析常被用作快速评估数据库中是
否存在具有预期特性基因的途径ꎬ 然而其存在的一
大问题是注释很不完全ꎮ 细胞类型越不清楚ꎬ 其注
释越不完全ꎮ KEGG 也是一个目前使用较多的数
据库ꎬ 它是基于基因组信息ꎬ 用计算机计算或者预
测出复杂细胞中的通路或者生物的复杂行为[137]ꎻ
KEGG在线数据库也可以用来查找代谢循环图ꎮ
此外ꎬ 还能使用其它的数据库ꎬ 如果蝇的 FlyAt ̄
las[138]、 拟南芥的 TAIR[139]ꎮ 通过分析不同组织中
基因表达量的变化ꎬ 可以推测出哪些基因是细胞类
型特异性表达的ꎬ 哪些基因是广谱表达的[140]ꎬ 而
聚类分析可用于分析不同类型的基因如何相互作
用ꎮ 希尔波特曲线(Hilbert curves) [141]能用来推测
细胞类型特异性基因的基因组定位及其在特定神经
元细胞类型中的修饰功能ꎬ 如 Henry 等[142]采用这
种方法识别了章鱼胺能神经元 ( octopaminergic
neurons)特异性的几个候选转录因子ꎮ 聚类分析
也常被用来比较基因在不同类型细胞中的表达水平
或与染色质因子结合的能力ꎬ 如 Deal 和 Henikoff
通过 K ̄均值聚类分析细胞类型特异性表达数据和
组蛋 白 标 记ꎬ 发 现 了 一 种 异 于 H3K4me3 /
H3K27me3平衡的细胞类型特异性表达机制[143]ꎮ
聚类分析还被用于研究了大肠杆菌对冷、 热、 氧化
等不同胁迫条件下的代谢组和转录组应答[144]ꎮ 需
要注意的是ꎬ 这些信息技术的使用有助于评估实验
质量ꎬ 检测细胞类型特异性或提出假说ꎬ 但不能取
代实验验证ꎮ
基因组的分析结果可以通过多种方法来验证ꎮ
例如: 荧光显微镜常被用来验证特定基因的表达模
式ꎻ RNA 原位杂交曾被用来确定果蝇中胚层
Marker基因(Mef 2)与 BiTS ̄ChIP 鉴定出的中胚层
其它特异性表达基因的共定位ꎬ 以证明其在调控区
域的预期活性[145]ꎻ 可将拟鉴定基因的启动子或增
强子连接报告基因以研究其表达模式[140]ꎮ 果蝇
Gal4 / UAS和小鼠 Cre / LoxP 都是基因组分析结果
验证实验较常采用的理想系统ꎬ 其可以产生数千个
转基因株系以研究给定位点的基因活性ꎮ 此外ꎬ 基
因组分析结果的实验验证还可以采用将已知细胞类
型特异性 Marker与目标蛋白进行免疫组化共染的
084 植 物 科 学 学 报 第 34卷
方法ꎻ 随着细胞类型特异性数据的日益复杂ꎬ 也可
以采取目标基因敲除的技术以验证其功能ꎮ 蛋白质
组分析鉴定的差异蛋白ꎬ 可以通过 Western ̄blot
和 RT ̄PCR来验证ꎻ 如果蛋白在组织中有表达ꎬ 也
可以通过免疫组化的方法来验证ꎻ 不同蛋白之间的
相互作用ꎬ 可以通过酵母双杂交、 免疫共沉淀或
GST pulldown等来验证ꎮ 代谢组分析结果可以采
用三重四级杆质谱进行靶标验证ꎬ 或者采用试剂盒
验证[146ꎬ147]ꎮ
研究基因调控的一个目的是ꎬ 了解基因如何
能在正确的时间、 正确的位置进行表达ꎮ 多种细
胞类型特异性研究工具的出现ꎬ 使得我们可以高
精度地研究基因的时空表达谱ꎬ 理解特定细胞类
型中特定基因的表达调控机制及其对特殊环境挑
战的应对机制ꎮ 很多细胞类型特异性研究工具还
有进一步发展的空间ꎬ 如用于分离细胞类型特异
性 mRNA的 TRAP 和 RiboTag 技术ꎬ 应能被进一
步改进与完善以更好的研究蛋白质翻译ꎮ 因为有
很多 mRNA被核糖体结合后而不能活跃翻译成蛋
白质[148]ꎬ 因此通过核糖体印迹技术确定给定 RNA
上核糖体的密度也许能更精确地报道实际上正在翻
译的mRNA数目[149]ꎮ 另一个有用的工具是与细胞
器(如线粒体或内质网)核糖体相结合的 RNA 谱技
术[150ꎬ151]ꎮ 这些功能强大的细胞类型特异性工具的
发展使我们能更精确地探讨基因表达的时空特性ꎮ
此外ꎬ 其它一些已经成熟的技术ꎬ 如 DNase ̄
seq[152]、 FAIRE[153]、 Gro ̄seq[154]、 NET ̄seq[155]
也能被用来研究特定细胞类型的染色质和转录ꎮ
单细胞测序技术也取得了重大突破[156ꎬ157]ꎬ 其
研究材料正从大量丰富的培养细胞或整体组织ꎬ 向
复杂组织中的少量亚细胞群转变ꎮ 单细胞测序技术
的进步得益于基因组测序的飞跃发展ꎬ 特别是测序
成本的降低意味着几种不同类型的细胞可以同时比
较ꎮ 高通量测序对起始材料数量的要求也在减少ꎬ
这就意味着本文所讨论的技术瓶颈———某些材料因
分离得到的细胞数目少而不能测序ꎬ 即将成为历
史ꎬ 如 RNA ̄seq技术对起始材料总 RNA的要求已
从 10 μg降至 10 ng[158ꎬ159]ꎬ 使其应用前景更加广
阔ꎮ 活细胞单分子实时显示检测技术的发展使我们
能以高时空分辨率追踪分子运动[160]ꎻ 共聚焦拉曼
显微镜(confocal Raman microscopy)可以与次级
离子质谱仪(SIMS)相结合鉴定其中任意单独一个
平台都不能研究的代谢ꎬ 如木质纤维素的酶解预处
理过程[161]或单个藻类细胞的成分分析[162]ꎮ 因此ꎬ
计算方法和新的统计方法需随之进展ꎬ 以在单细胞
水平区分生物变化和技术噪点[163]ꎮ
总之ꎬ 单细胞测序等研究工具的出现ꎬ 使得高
精度研究单细胞基因调控模型成为可能ꎬ 且其所揭
示的生物学意义将远远超过了解基因调控本身ꎻ 不
同基因时空表达谱的确定将为在生物学领域发现新
的机制奠定理论基础ꎮ 质谱和显微镜等技术的结合
使用ꎬ 则使从一个或少量细胞样本获取多种组学数
据成为可能ꎮ 流式细胞术和微流控芯片等技术的发
展ꎬ 必将促使单细胞研究工具的自动化和智能化程
度不断加强ꎮ 随着生物和其它学科的不断发展、 交
叉渗透ꎬ 未来的单细胞研究工具将朝着精度更高、
功能更全、 自动化和智能化程度高、 速度更快、 操
作较简易等方向发展ꎮ
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(责任编辑: 刘艳玲)
784 第 3期 何宇清等: 单细胞技术进展及其在植物研究中的应用