Jedno z najważniejszych zbóż świata dostało mapę życia w rozdzielczości pojedynczych komórek. Zespół 12 chińskich instytucji opublikował w „Cell” trójwymiarowy atlas rozwoju ryżu od nasiona do nasiona. Zbiór obejmuje 10 organów, 61 etapów rozwoju, 851 725 jąder komórkowych oraz 119 typów komórek.

Praca ukazała się 6 października. W projekcie uczestniczyły m.in. Southern University of Science and Technology, Yazhouwan National Laboratory, BGI Research, Huazhong Agricultural University, Wuhan University oraz Instytut Genetyki i Biologii Rozwoju Chińskiej Akademii Nauk. Autorzy i chińskie instytucje opisują rezultat jako pierwszy atlas 3D na poziomie pojedynczych komórek obejmujący pełny cykl życia ryżu.

Badacze połączyli wysokorozdzielczą transkryptomikę przestrzenną Stereo-seq, sekwencjonowanie RNA pojedynczych jąder i kompletny genom referencyjny. Dzięki temu nie powstał kolejny katalog genów. Mapa pokazuje, gdzie znajdują się określone komórki, które geny są w nich aktywne i jak ten układ zmienia się podczas wzrostu rośliny.

Atlas od nasiona do nasiona

Zintegrowany atlas obejmuje 10 organów i 61 etapów — od najwcześniejszych faz zarodka po dojrzałe organy i nowe ziarno. W publikacji opisano 851 725 jąder komórkowych oraz 347 640 przestrzennych jednostek pomiarowych. Na tej podstawie badacze wyróżnili 119 typów komórek i 133 podtypy.

Różnica względem klasycznego badania całej tkanki jest zasadnicza. Średni sygnał z korzenia, liścia czy ziarna może wskazać, że dany gen jest aktywny, ale nie pokazuje dokładnie, w których komórkach i w jakim momencie rozwoju. Tutaj położenie komórki zostaje zachowane. Naukowcy mogli więc odtworzyć przebieg zmian od prozarodka do dojrzałych organów i szukać regulatorów związanych z konkretnymi etapami.

Jednym z przykładów jest regulator OsARF1. Zespół wykazał, że jego działanie zależy od miejsca i komórkowego otoczenia. Dla hodowli roślin to istotny trop: ten sam gen może pełnić różne funkcje w różnych częściach rośliny, dlatego zmiana pożądanej cechy nie zawsze daje jeden prosty, przewidywalny efekt.

Skrobia z jednej strony, białko z drugiej

Najbardziej obrazowy wynik dotyczy rozwijającego się bielma, czyli tkanki odżywczej ziarna. Po stronie grzbietowej silniej zaznaczały się programy genowe związane z metabolizmem węglowodanów i syntezą skrobi, po stronie brzusznej — z wytwarzaniem białek zapasowych. Autorzy pokazali też, że zmiana aktywności genów uczestniczących w tym asymetrycznym układzie może przeorganizować sposób odkładania skrobi i białka.

Do atlasu dołączono publiczną platformę Rice Spatio Temporal Atlas oraz model RICE scGPT. Model wytrenowano na danych z projektu i publicznych zbiorach pojedynczych komórek ryżu. Ma pomagać m.in. rozpoznawać typy komórek, dla których brakuje jednoznacznych markerów, i łączyć dane pochodzące z różnych eksperymentów.

Atlas nie jest nową odmianą ryżu i sam w sobie nie zwiększa plonów. Daje za to znacznie dokładniejszą mapę zależności, na której można wskazywać cele do dalszych eksperymentów nad rozwojem roślin, jakością ziarna i hodowlą precyzyjną. Największa zmiana polega więc na rozdzielczości: badacze mogą pytać już nie tylko, który gen ma znaczenie, ale także gdzie i kiedy powinien działać inaczej.

Źródła: Cell, Southern University of Science and Technology, Xinhua.

PODOBNE ARTYKUŁYWIĘCEJ OD AUTORA