在植物的發(fā)育過(guò)程和環(huán)境適應(yīng)中，細(xì)胞異質(zhì)性是基因表達(dá)調(diào)控的重要特征。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（scRNA-seq）在單細(xì)胞水平通過(guò)Poly(dT)對(duì)RNA轉(zhuǎn)錄本的3'端的polyA進(jìn)行捕獲，從而幫助解答基因表達(dá)水平的細(xì)胞異質(zhì)性。基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控既有遺傳因素，也有表觀遺傳因素，miRNA即為其中一類重要的表觀調(diào)控因子，可通過(guò)對(duì)靶基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控，進(jìn)而影響許多生物進(jìn)程。目前發(fā)現(xiàn)的大部分miRNA在特定的組織和發(fā)育階段表達(dá)，如擬南芥中miR319通過(guò)靶向TCP控制花發(fā)育早期階段的調(diào)控[1], miR156和miR172參與胚的發(fā)生[2]。成熟miRNA無(wú)法通過(guò)單細(xì)胞測(cè)序的常規(guī)方法檢測(cè)其表達(dá)，但通過(guò)對(duì)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)中的pri-miRNA進(jìn)行定量分析，我們可以獲得關(guān)于miRNA在單細(xì)胞水平上的動(dòng)態(tài)變化信息[3]。
2025年1月10日，北京大學(xué)何航團(tuán)隊(duì)與鄧興旺團(tuán)隊(duì)在Advanced Science發(fā)表了題為Cell-type Specific miRNA Regulatory Network Responses to ABA Stress Revealed by Time Series Transcriptional Atlases in Arabidopsis的研究論文，揭示了在植物的脅迫響應(yīng)過(guò)程中，一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、且細(xì)胞類型特異的轉(zhuǎn)錄因子-miRNA-基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（TMTN，TF-miRNA-target gene network）。
我們對(duì)擬南芥進(jìn)行ABA處理，得到時(shí)間序列的RNA-seq、小RNA-seq和單細(xì)胞RNA-seq數(shù)據(jù)，并利用收集的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)與miRNA-靶基因數(shù)據(jù)[4]，構(gòu)建了ABA脅迫響應(yīng)的時(shí)間序列mRNA、miRNA、和pri-miRNA轉(zhuǎn)錄圖譜。通過(guò)多組學(xué)聯(lián)合分析，我們對(duì)植物響應(yīng)ABA的miRNA表達(dá)動(dòng)態(tài)、特異調(diào)控、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面解析（圖1）。
圖1.時(shí)間序列的RNA-seq和小RNA-seq數(shù)據(jù)結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子與靶基因的信息得到的動(dòng)態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，用于后續(xù)單細(xì)胞RNA-seq數(shù)據(jù)挖掘細(xì)胞類型特異性調(diào)控的pri-miRNA和其靶基因的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。
我們發(fā)現(xiàn)，以miR159、miR398為代表的相當(dāng)一部分miRNA和pri-miRNA在ABA響應(yīng)早期就經(jīng)歷了快速的變化，并以小的TF-miRNA-靶基因 (feed-forward loop) motif結(jié)構(gòu)調(diào)控大量下游基因表達(dá)。我們發(fā)現(xiàn)處在這些緊密motif結(jié)構(gòu)中的基因具有更強(qiáng)的共表達(dá)效應(yīng)，說(shuō)明miRNA在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中起到黏合及催化作用。并且，miRNA參與的motif結(jié)構(gòu)具有明顯細(xì)胞類型特異性，而21個(gè)與ABA相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子本身不具備細(xì)胞類型特異性，說(shuō)明環(huán)境響應(yīng)時(shí)，在傳統(tǒng)TF-靶基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，miRNA的加入起到關(guān)鍵的導(dǎo)航作用。
例如，在ABA響應(yīng)的早期階段，miR858a-FBH3-MYB motif通過(guò)細(xì)胞類型特異的miR858a在維管系統(tǒng)中抑制MYB63和MYB20的表達(dá)，與次生壁的形成和木質(zhì)素的產(chǎn)生有關(guān)（圖2-3）。
圖2.miR858的靶基因MYB63在維管細(xì)胞中動(dòng)態(tài)表達(dá)圖譜。
圖3.miR858（a）、MYB63（b）和MYB20（c）在維管細(xì)胞中表達(dá)水平的動(dòng)態(tài)變化。
本研究通過(guò)整合時(shí)間序列RNA-seq、小RNA-seq和單細(xì)胞RNA-seq數(shù)據(jù)，建立轉(zhuǎn)錄因子-miRNA-基因調(diào)控圖譜，揭示了細(xì)胞類型特異調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中miRNA的重要作用（圖4），對(duì)進(jìn)一步理解環(huán)境響應(yīng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、miRNA作用機(jī)制、及單細(xì)胞多組學(xué)整合均提供了新的見(jiàn)解。
圖4.通過(guò)單細(xì)胞多組學(xué)聯(lián)合分析，揭示了miRNA參與的細(xì)胞類型特異調(diào)控網(wǎng)絡(luò)
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院/北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院何航研究員和鄧興旺教授為該論文的共同通訊作者。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院已出站博士后高照旭（現(xiàn)單位：中國(guó)農(nóng)科院作科所）、現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士生蘇晏寧、生命科學(xué)學(xué)院博士生焦冠中和北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院科研助理婁志英為論文共同第一作者。中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院品資所于仁波副研究員、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院韓雪研究員和李健研究員、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士后徐超、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士生常樂(lè)和王澤家為本研究做出了重要貢獻(xiàn)。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家青年人才支持計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目和北京大學(xué)博雅博士后項(xiàng)目的支持。本研究的數(shù)據(jù)分析工作得到了北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院超算中心的支持。
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