01
ST在植物生物学中的应用
华大时空组Stereo-seq助力植物研究
Stereo-seq通过将芯片尺寸扩展至13 cm×13 cm， 实现了厘米级全景视场。大尺寸切片可以完整地描绘大型组织的多个边缘和毗邻关系，为了解组织复杂性和单个切片内细胞的空间组成提供有价值的见解。
02
文献案例
中文题目：拟南芥单细胞核图谱解码叶片衰老和养分分配
发表时间：2025.4
发表期刊：Cell
研究总结：
研究团队借助华大单细胞组学技术 DNBelab C4 和时空组学技术 Stereo-seq，获取拟南芥 20 个组织样本的 913,769 个高质量单细胞核转录组，构建出取样阶段最全、数据量最大的单细胞图谱，鉴定出 38 种细胞类型，为后续研究奠定基础。
在研究叶片衰老过程中，研究人员筛选出相关基因，创新提出 “衰老指数” 和 “年轻指数”，实现单细胞分辨率下叶片衰老状态的定量评估，并构建共表达基因调控网络，筛选出关键节点基因。
研究还发现，在叶片衰老时，糖转运蛋白和氨基酸转运蛋白家族的部分基因，在叶片维管组织特定细胞中特异性表达，负责碳氮营养物质的运输与回收；跨器官的碳氮分配同样具有细胞类型特异性。
中文题目：空间转录组学揭示了水稻根系旱地适应机制和 HMGB1 是关键调节因子
发表时间：2025.4
发表期刊：Molecular Plant
研究总结：
陆稻是我国西南地区特有的水稻类型，具备耐旱、耐贫瘠等特性，其强健根系是重要优势，但相关分子机制研究匮乏。研究团队运用Stereo-seq时空组学技术，解析陆稻根系适应干旱的分子机制。研究团队选取 16 个遗传背景相近的水稻与陆稻品种，研究其根系表型变化，发现陆稻根长较长、根茎较粗，冠根数量虽少但抗旱性强。
借助 Stereo-seq 技术，团队构建了陆稻根系发育的动态基因表达图谱，重建冠根原基生长及根尖细胞分裂分化过程，揭示了陆稻胚芽鞘节的细胞类型及其分布。通过比较水稻和陆稻根系发育基因，确定了多个差异基因及其所属细胞类型。研究还发现，陆稻根尖分生区细胞的代谢和转录翻译活性显著高于水稻，其中高表达的 HMGB1 基因备受关注。遗传学实验表明，敲除水稻中的 HMGB1 基因后，水稻根系更发达，抗旱能力显著增强。
中文题目：瓜类植物KNOX1调控下子房发育和花性分化的创新研究
发表时间：2025.4
发表期刊：Nature Plants
研究总结：
该研究利用 Stereo-seq 时空组学技术，首次构建植物发育花芽时空转录组图谱并重建细胞谱系。
下位子房在被子植物演化中多次起源，对其形成机制的研究意义重大。研究人员经系统发育分析和组织切片观察，推测黄瓜下位子房形成与膨大花托有关。通过对 52 份黄瓜花芽及子房样本的空间转录组分析，鉴定注释了 41 个细胞群，并构建黄瓜器官发生轨迹分析方法，明确花居间分生组织分化方向，发现黄瓜果实主要果肉组织源于花托，证实花托快速生长是下位子房形成关键。
研究还鉴定出花托增殖关键调控因子 KNAT2-like1，其与 CRC、ER 形成调控网络促进花托生长。敲除该基因，黄瓜雌花转变，花托发育停滞并产生类似番茄上位子房的两性花，进一步验证了相关调控模块在性别决定及下位子房形成中的协同作用。
中文题目：大豆器官发育的大规模综合转录组图谱
发表时间：2025.2
发表期刊：Molecular Plant
研究总结：
研究团队利用时空组学技术 Stereo-seq，绘制出首个国产大豆 “中黄 13” 全生命周期器官发育 “时空图谱”。研究团队构建 “宏观 – 单细胞 – 空间” 三级转录解析体系，先通过常规转录组大数据锁定特征基因，再用单细胞核转录组捕获细胞级表达图谱，最后借助 Stereo-seq 呈现基因表达的三维空间位置信息，实现大豆器官 3D 基因表达可视化。
通过整合不同转录组数据，该研究呈现大豆基因表达时空动态信息，取得多项成果：鉴定出各器官特异性表达基因，如证实 GmPMTs 基因调控根瘤发育；构建器官发育全景图谱，挖掘叶片关键共表达模块；构建根尖空间 3D 转录图谱，揭示细胞分化路径；解析根瘤细胞异质性，发现维管束特异性 GmHBs 基因在根瘤早期发育的关键作用。
中文题目：水稻种子萌发过程中胚细胞的时空转录组图谱
发表时间：2024.9
发表期刊：Molecular Plant
研究总结：
研究运用单细胞转录组测序与 Stereo-seq 时空组学技术，绘制出水稻种胚在种子萌发过程中的单细胞分辨率空间转录组图谱。
研究收集 6 – 48 小时浸种后的水稻种胚样品进行 Stereo-seq 和 scRNA-seq 测序，获取高质量数据，并建立自动化细胞分割方法。基于此，划分出水稻胚胎的五个解剖区域，鉴定出 13 个细胞群及其标记基因，发现植物脂质转移蛋白编码基因的细胞特异性表达模式。
针对盾片区域，研究鉴定出多种细胞类型及关键基因，如 SCL1 中与营养运输相关的基因、SCL3 中的标记基因等，并通过敲除 SCL2 细胞的 OsMFT2 基因提高了种子萌发率。研究还揭示了种子萌发过程中胚细胞的动态变化，如不同细胞比例的改变、多种基因表达水平的变化，以及细胞类型在调节营养物质和激素方面的特异性，如 α- 淀粉酶等基因在特定细胞的表达变化，多种转录因子和植物激素相关基因在不同细胞类型中的表达趋势。
中文题目：长雄野生稻地下茎形成的时空转录组图谱
发表时间：2024.2
发表期刊：Plant Biotechnology Journal
研究总结：
研究运用Stereo-seq时空组学技术，结合长读长测序技术与 MGI-Seq T7 平台构建的 HiC 文库组装的长雄野生稻双单倍型基因组，对长雄野生稻展开研究。
研究人员收集长雄野生稻主茎节上的一级地下茎芽、地下茎节上的二级地下茎芽和分蘖芽进行 Stereo-seq 分析，绘制出地下茎一次分支、二次分支以及分蘖的时空转录组图谱，鉴定出 17 个细胞群。该图谱显示不同细胞群界限明显，且地下茎与分蘖细胞群在组织结构上存在一致性，由此推测地下茎形成由基因特异性表达引起 。
此外，研究人员通过形态学分析和 Stereo-seq 技术，发现地下茎起始过程可分为薄壁组织凹陷、先出叶生成以及地下茎腋芽形成三个阶段，并确定了分生组织起始细胞群，通过轨迹分析表明地下茎芽具有从头再生特性。
中文题目：种关键葱属作物的染色体水平基因组及其性状演化
发表时间：2023.11
发表期刊：Nature Genetics
研究总结：
研究人员首先完成了洋葱、大蒜、大葱及其近亲百子莲的高质量染色体级基因组组装，确定了葱属谱系特有的多倍化事件，发现全基因组复制事件发生在不同时间点，加深了对葱属进化历史的理解。
随后，研究人员利用 Stereo-seq 技术分析洋葱鳞茎组织早、中、晚 3 个发育阶段，绘制了参与球茎膨大基因通路的时空全景图。通过无监督聚类和细胞分类，鉴定出六种细胞类型，发现海绵细胞对球茎膨大贡献最大。对海绵细胞谱系可视化并构建分化轨迹，发现其从内层到外层、从基部到顶部连续发育。同时，研究人员还分析了洋葱球茎形成相关基因的空间表达模式，发现 CHI 等基因家族在表皮细胞中共表达，参与类黄酮和角质蜡的生物合成。
中文题目：空间转录组学揭示光诱导的绿色组织细胞参与促进番茄愈伤组织的芽再生
发表时间：2023.9
发表期刊：PNAS
研究总结：
该研究运用 Stereo-seq 等技术，探索番茄愈伤组织芽再生后期样本的空间转录组，为解析番茄芽原基发育提供新视角。
研究人员利用 Stereo-seq 获取精细空间单细胞数据，结合其他技术对番茄愈伤组织进行分析，构建了芽再生时期的空间转录组图谱，鉴定出表皮、维管组织等 7 种细胞类型，并通过 RNA 原位杂交验证。研究发现番茄愈伤组织表皮具有细胞异质性和功能多样性，维管组织能支持芽再生，芽原基位于靠近空气的表皮附近，且芽原基周围光诱导的绿色组织细胞对芽再生十分关键，其产生的蔗糖可能经转化激活葡萄糖 – TOR 信号通路，促进芽原基发育。
中文题目：整合单核和空间转录组学捕获大豆根瘤成熟过程中的过渡状态
发表时间：2023.4
发表期刊：Nature Plants
研究总结：
研究运用 snRNA-seq、Stereo-seq 及 RNA 原位杂交等技术，对大豆根瘤成熟过程进行研究，为理解根瘤菌 – 豆科植物共生提供新视角。
研究人员分析了大豆被根瘤菌浸染后第 12 天和 21 天的根瘤组织，以及 21 dpi 根瘤形成时根的相应区域样本。通过 snRNA-seq 获得 26,712 个高质量单核转录组，识别出 15 种细胞簇；利用 Stereo-seq 验证细胞簇身份并明确其空间分布，还通过染色和 RNA 原位杂交验证注释结果。
在根瘤中央浸染区，确定了 4 种细胞簇，其中 cluster 0、7、11 为未浸染细胞（UCs），cluster 12 为浸染细胞（ICs）。拟时序分析表明 cluster 7 和 11 由 cluster 0 分化而来，且不同 UCs 在酰脲合成、运输及能量供应相关基因表达上存在差异。对 ICs 深入研究发现，其可分为 12 – 0 和 12 – 1 两种亚细胞类型，12 – 1 亚群几乎只存在于 12-dpi 未成熟根瘤中，敲除其特异性表达基因会影响根瘤数量和感染区状态，表明该亚群在根瘤成熟过程中起关键作用。
该研究构建了大豆根瘤单细胞核转录组图谱，明确了 ICs 中 12 – 1 亚群的重要作用，为深入研究根瘤成熟调控网络提供了新见解。
