单细胞玉米的根地图揭示了细胞多样性的监管机构

使用新颖的单细胞分析技术的一项新研究揭示植物如何添加新细胞层,帮助他们抵御气候压力就像干旱或洪水。研究侧重于corn-a至关重要的作物在世界各地努力创建一个细胞的植物的根系,地图介导干旱胁迫和从土壤中吸收养分和肥料。

“我们发现玉米扩大皮层组织,这使得作物的根系。层添加到皮层组织是一个关键的进化功能,生成方式对植物耐干旱和洪水,提高营养吸收,”教授肯尼斯·伯恩鲍姆说在纽约大学生物学和基因组学和系统生物学中心的资深作者论文,发表在《华尔街日报》科学。

“这些特征将是至关重要的目标,能让植物抵御全球变暖,减少作物的碳足迹,”伯恩鲍姆,纽约大学领导了这一项目的实验室与冷泉港实验室的研究人员合作,宾夕法尼亚大学。

创建一个单细胞的玉米根地图,研究人员首先打破了根使用细胞壁酶消化产生单身,自由浮动的细胞。新方法让mRNA分析内容的个人cells-distinguishing分子特性,导致特定类型的专业运用细胞小型化droplet-based单一cell-sequencing技术。

他们接下来映射细胞回到自己的位置在玉米根,类似于组装没有向导就10000块拼图。为了解决这个难题,研究人员使用荧光染料渗透到根组织在可变深度标签和隔离不同的层,分离层洋葱一样,给他们地图单一细胞基因地标。

“这第二层的信息本质上给我们的拼图框允许我们精确细胞映射到适当的位置以重建三维模型的基因表达在整个玉米根,”卡洛斯·奥尔蒂斯Ramirez说纽约大学基因组学和系统生物学中心和佐治亚大学Laboratorio Nacional de la Biodiversidad Genomica para在墨西哥,他是这项研究的第一作者。

新的玉米根地图显示,从没被根的皮层细胞专业化。大脑皮层尤为重要,因为它包含大量的玉米根和早期有超过10层。此外,皮质细胞亚型,是至关重要的特征,帮助农作物应对环境压力。例如,内皮层层共生真菌与植物营养物质交换,以及加强合作可以帮助减少农业的碳足迹。中间层的皮质创建在洪水期间启用气体交换的空气通道,而按需扩展的皮层在干旱胁迫可以减少水分流失。

“用我们的3 d模型的玉米根,我们绘制出四个不同的皮质层签名,可以为进一步改善提供重要的基因目标共生,洪水,干旱,”奥尔蒂斯拉米雷斯说。

此外,该组织发现线索的新地图中根玉米如何能产生的额外层皮质。特别是关键基因监管机构被称为短根(月),其功能是类似在不同的植物,在一个有趣的立场,是不同于其他植物只有一层的皮质。

在拟南芥中,常用小开花植物作为生物模型在植物生物学,月是第一个从细胞到细胞转录因子显示,允许内细胞类型给中间层指令来创建一个新的组织。使萎缩的一种当地组织者,根组织指导组装在一个核心模式。然而,在玉米、单细胞地图显示萎缩是在一个新的位置旁边的多层皮层,一个方便的“跳”指向扩展多个皮质层。实际上,研究人员追踪月蛋白质运动,发现hypermobile,不仅移动一层多层通过大脑皮层。

此外,突变干扰萎缩函数在玉米和玉米相对谷子数量严重减少的皮质层。这演示了如何萎缩使其主要作用在组织层和产生新的细胞身份扩张,但它的位置转向添加新的细胞类型,最终使玉米应对环境压力。

“确定月皮层扩张的关键调节器是一个重要的第一步,”伯恩鲍姆说。“向前移动,调整这些监管机构可以提供工具来改变皮质层或亚型的数量可以提高他们承受气候压力像干旱的能力,或改善氮吸收,使植物少用化肥或生长在贫瘠土壤。”

参考:Ortiz-Ramirez C, Guillotin B,徐X, et al。地面组织电路调节器官在玉米和复杂性Setaria。科学。2021,374 (6572):1247 - 1252。doi:10.1126 / science.abj2327

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