ICG-17精彩回顾 | 时空组学如何广泛应用在动植物研究中？
2022年9月5日晚，国际基因组学大会第十七届年会(ICG-17) “时空组学与动植物”专场于线上顺利举办。超过8000名来自于高校和研究院所的观众在线参加了本次研讨会，四位特邀专家为参会嘉宾和同道们带来了精彩的学术分享和技术交流，并展开了热烈而深入的讨论。
#主题报告回顾#
华中农业大学生命科学与技术学院董志强教授担任了本次研讨会的主持人和首位报告嘉宾。他以《Spatiotemporal mapping of gene expression landscapes and developmental trajectories during zebrafish embryogenesis》为题进行了报告。
斑马鱼是研究脊椎动物发育的常用模式生物，在斑马鱼胚胎发育过程中，细胞会受到转录因子、信号通路、细胞外基质等多种因素的共同影响，从而导致细胞在短时间发生基因表达和细胞状态的剧烈改变，并走向不同的命运。以往的研究已经从单细胞层面揭示了胚胎发育的调控全景，但是受限于技术，不能结合基因表达的空间信息对这一过程进行更加全面的探索。
董教授介绍了利用华大自主研发的高精度大视场时空组学技术Stereo-seq，并结合多切片策略，在超高分辨率的背景下首次绘制了斑马鱼胚胎受精后24 h内6个关键发育时间点的时空转录图谱，以及具有空间信息的发育轨迹。董教授表示构建的斑马鱼胚胎发育的空间转录图谱和细胞分化时空轨迹，为探索脊椎动物胚胎发育过程中细胞的时空变化提供了一个可供参考的开放数据库（thttps://db.cngb.org/stomics/zesta/）和理论支持。
南方科技大学胡宇慧副教授以《High-resolution 3D spatiotemporal multi-omics atlas of developing Drosophila》为题进行了报告。空间基因表达模式对于理解复杂通路和相互作用至关重要，而时间基因表达变化对于研究高度动态的生理活动（如发育）至关重要。一直以来，黑腹果蝇是在遗传和发育等领域广泛使用的模式生物，但由于果蝇胚胎体积微小（约0.5 mm），发育相关的基因时空表达特征解析至今仍局限在每次仅研究个别几个基因的阶段，且对基因表达的空间特征研究也多通过mRNA原位杂交来实现，缺乏全面系统性的分析。
胡教授介绍了通过时空组学技术Stereo-seq，在约500 nm的高分辨率基础上对果蝇胚胎和幼虫冷冻切片的mRNA进行了原位捕获，构建了果蝇胚胎和幼虫切片的二维空间转录组图谱，并利用单个样本所有切片的二维空间转录组，首次成功地重构了果蝇胚胎和幼虫的3D空间转录组图谱（https://db.cngb.org/stomics/flysta3d/）。
胡教授认为果蝇胚胎和幼虫发育的3D时空转录组图谱的成功构建，开启了在生物体层面和基因组尺度上对基因的三维空间表达图谱进行系统动态解析的新篇章，为胚胎和组织发育以及疾病发生过程中基因调控网络提供了完整的时空研究新角度。
山东省农业科学院李国卫研究员以《Spatial transcriptome technology reveals cellular heterogeneity in peanut tissues》为题进行了报告。近年来，scRNA-seq技术发展迅速，但其在植物领域的应用仍面临诸多挑战，例如原生质体困难、无法保留细胞或组织即时的转录状态、无法获取细胞空间位置信息等。而新近发展的空间转录组学技术因其强大的高通量基因表达原位表征能力，能在有效弥补scRNA-seq不足的同时，实现在时间维度上解析细胞的发育分化轨迹，在空间维度上解读每个细胞的基因表达特征。
李老师以非模式生物花生为研究对象，应用时空组学技术Stereo-seq，在改进植物样品制备方法的基础上，比较分析了花生茎、根、胚轴和peg（果针）组织，解析了花生peg包含的不同细胞类群以及每个细胞类群的空间位置信息，明确了不同组织含有的细胞类型，绘制了重要油料作物花生组织的空间基因表达图谱。在李老师看来，这项研究成果为植物微观结构和基因功能研究架起了新的桥梁，为植物发育和作物育种等研究提供了新方法。
深圳华大生命科学研究院夏科科副研究员以《Understanding plant through single cell spatiotemporal omics》为题进行了报告。对植物精细复杂的组织和细胞类型进行高分辨率的解剖，有助于了解植物的发育机制以及植物对各种环境刺激的反应。夏老师首先以植物芽再生单细胞研究为例提出单细胞研究丢失细胞空间相对位置的不足，并以此引出开发空间组学技术的必要性。随后夏老师介绍了其团队基于Stereo-seq技术和植物细胞壁染色技术开发的single-cell Stereo-seq (scStereo-seq)技术，并详细介绍了scStereo-seq在模式生物拟南芥叶片研究中的应用。
夏老师表示，区分具有高度相似性的细胞类型一直是一个长期存在的问题，利用scStereo-seq技术，能够成功地区分出拟南芥叶片的转录组差异微小但显著的细胞亚型，包括上表皮和下表皮、海绵状叶肉和栅栏状叶肉。此外，课题组还首次发现了从主脉到叶缘的细胞型特异性基因表达梯度。
夏老师还提到，scStereo-seq能够应用于不同的植物和组织，并以利用scStereo-seq在拟南芥种子萌发研究中发现萌发调控因子在种子种的细胞类型特异性的发现为例进行了佐证。他认为，scStereo-seq是一个先进的适用于植物的、单细胞化的空间转录组技术，该技术能够为未来植物形态建成、植物-微生物相互作用，以及抗逆性机制的研究提供很大帮助。
最后，夏老师介绍了由华大生命科学研究院发起的“植物时空组学挑战赛”（大赛详情：大赛启动丨10个项目支持名额，植物时空组学挑战赛等你来战！），参赛者通过提交植物组织前处理方案参加比赛，最终角逐出10个最佳解决方案，将获得时空组学技术支持。
#圆桌讨论#
嘉宾参与圆桌讨论
在第二部分的圆桌讨论环节，四位嘉宾就“时空组学技术在动植物领域的研究趋势及应用前景”为主题表达了各自的观点。针对动植物时空组学技术，嘉宾们一致赞同“工欲善其事，必先利其器”，认为高分辨率时空组学技术（如Stereo-seq等）的出现，极大地推动了动植物领域的研究进程，能够帮助研究人员更全面、更系统地解析动植物组织/器官的复杂生物变化和调控过程。然而，目前空间组学技术出现的时间较短，仍然存在一定的局限性，如流程步骤较为繁琐，从而影响了技术的普及和广泛应用。空间组学技术的发展离不开科研人员、科学家辛勤付出，相信未来时空组学技术会日益成熟，以期实现同时在时间和空间层面上解析器官结构、生命发育、物种演化和定义人类疾病。最后，嘉宾们对线上参会观众提出的问题一一做出了详细的解答。
会议最后，董志强教授对本次研讨会进行了总结。董教授表示，基因表达的时间和空间信息在动植物研究中的重要性日益凸显，未来在解析动植物组织/器官的复杂生物变化和调控过程中，时空组学技术的重要性也将越来越高。
时空组学专刊征稿
Journal of Genetics and Genomics (JGG)拟于2023年上半年出版时空组学专刊(Special Issue on SpatioTemporal Omics),诚邀广大科研工作者赐稿。点击下方图片，了解详情。
系列导读
● 文献解读 | Science封面：Stereo-seq鉴定蝾螈端脑再生过程中的重要神经干细胞亚型
● 专题详解 | Stereo-seq构建小鼠器官发育时空转录图谱
● 专题解读 | Stereo-seq绘制斑马鱼胚胎的时空图谱和发育轨迹
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