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空間轉(zhuǎn)錄組報(bào)道植物維管組織結(jié)構(gòu)與發(fā)育研究領(lǐng)域新進(jìn)展中的應(yīng)用

瀏覽次數(shù):2503 發(fā)布日期:2023-3-27  來(lái)源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)

自空間轉(zhuǎn)錄組被評(píng)為2020年nature methods年度技術(shù)后,不同的空間組學(xué)平臺(tái)如雨后春筍般展現(xiàn)在了大眾的視野內(nèi),其中,10x Genomcs的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)走在了科研的前列,10x Genomcs Visium基于poly(dT)的無(wú)偏差RNA捕獲方式給了空間轉(zhuǎn)錄組更廣泛的應(yīng)用空間和物種適應(yīng)性。

10X Genomcs Visium從技術(shù)建立至今的四年中,絕大多數(shù)的樣本是以人或小鼠等動(dòng)物為主。但植物相關(guān)的空間轉(zhuǎn)錄組文章所見甚少,那么植物和動(dòng)物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和成分差異亦或是在前期植物冰凍切片時(shí)的難度可能是阻礙植物使用空間轉(zhuǎn)錄組的難點(diǎn)。

上海伯豪生物的實(shí)驗(yàn)研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn),實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化摸索,最終在植物樣本的冰凍包埋,切片,樣本透化過(guò)程建立了一套伯豪自己的解決方案。并成功在擬南芥、楊樹、 槐樹等多種植物類型中進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn),積累了豐富的植物空轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。其中,楊樹是最具代表性的案例。該研究成果由浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院杜娟課題組發(fā)表在Molecular Plant上,回答了植物學(xué)領(lǐng)域爭(zhēng)論了120年的科學(xué)問題:即植物的次生維管組織發(fā)育過(guò)程中,韌皮部細(xì)胞和木質(zhì)部細(xì)胞是來(lái)源于一個(gè)共同的干細(xì)胞中心,還是分別來(lái)源于兩個(gè)干細(xì)胞中心?

 

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本研究中,作者通過(guò)電子顯微鏡觀察與10x Genomcs Visium空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序相結(jié)合的方法,追蹤研究了木本模式植物-楊樹莖從頂端原形成層干細(xì)胞逐步發(fā)育形成次生維管組織干細(xì)胞的連續(xù)過(guò)程。

首先,作者通過(guò)電鏡切片的觀察發(fā)現(xiàn),莖從初生生長(zhǎng)到次生生長(zhǎng)的連續(xù)發(fā)育過(guò)程中,莖頂端的原形成層干細(xì)胞衍生的子細(xì)胞在韌皮部和形成層兩個(gè)組織區(qū)域中,分別形成了形態(tài)差異顯著的兩類次生分生組織干細(xì)胞群。在韌皮部中的干細(xì)胞群,細(xì)胞形態(tài)特征與原形成層干細(xì)胞類似,具有細(xì)胞分裂能力,負(fù)責(zé)韌皮部細(xì)胞的形成;在維管形成層區(qū)域的干細(xì)胞群,由已知的形成層紡錘狀原始細(xì)胞和射線原始細(xì)胞組成,負(fù)責(zé)木質(zhì)部細(xì)胞的形成(圖1)。
 
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圖1 楊樹莖次生維管組織中存在兩類干細(xì)胞群
分別位于韌皮部與形成層組織
(Pf,韌皮纖維;Ph,韌皮部;CZ,形成層; DX,木質(zhì)部;Pa,薄壁細(xì)胞;Ve,導(dǎo)管分子;F,形成層區(qū)紡錘形原始干細(xì)胞;R, 形成層區(qū)射線原始細(xì)胞;PCL,韌皮部類似干細(xì)胞群)


后續(xù)作者運(yùn)用10x Genomcs Visium空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法,分析了楊樹莖從初生生長(zhǎng)到次生生長(zhǎng)連續(xù)發(fā)育過(guò)程中,原形成層干細(xì)胞衍生的子細(xì)胞分別分化形成韌皮部干細(xì)胞,以及維管形成層干細(xì)胞的特征表達(dá)的基因(圖2)。
 

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圖2 空間轉(zhuǎn)錄組分析與原位雜交驗(yàn)證次生維管組織中
存在兩個(gè)干細(xì)胞中心
(PCL,韌皮部干細(xì)胞;CZ,形成層干細(xì)胞;R, 射線原始細(xì)胞)

基于以上三方面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果,作者進(jìn)而提出了關(guān)于木本植物次生維管系統(tǒng)發(fā)育的一個(gè)新的理論模型 (圖3)。
 

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圖3 楊樹莖初生維管組織與次生維管組織發(fā)育模式圖

最后作者運(yùn)用擬時(shí)序分析方法,分析了從初生分生組織干細(xì)胞到次生分生組織干細(xì)胞分化過(guò)程中的基因表達(dá)規(guī)律(圖4A);以及兩類次生維管組織干細(xì)胞分別分化形成韌皮部細(xì)胞與木質(zhì)部細(xì)胞過(guò)程中的基因表達(dá)規(guī)律(圖4B)。
 

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圖4 從初生到次生分生組織(A),
及次生分生組織分化過(guò)程的基因表達(dá)趨勢(shì)規(guī)律(B)

本研究首次系統(tǒng)解析了植物次生維管組織干細(xì)胞的起源發(fā)生與發(fā)育過(guò)程,提供了維管組織干細(xì)胞及其衍生細(xì)胞在各個(gè)分化階段的形態(tài)結(jié)構(gòu)與特征表達(dá)基因圖譜,為進(jìn)一步研究陸生植物維管組織系統(tǒng)演化提供了非常重要的資源。同時(shí)也為篩選維管組織發(fā)育與木材形成的關(guān)鍵調(diào)控因子進(jìn)行分子育種,改良植物株型,調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育與抗逆提供新的研究視角。  

伯豪生物經(jīng)驗(yàn)

由于植物樣本的特殊性,在前期樣本準(zhǔn)備過(guò)程中,遇到了比較多的困難,如植物樣本如何進(jìn)行冰凍包埋,以及植物樣本切片易碎裂的問題,在經(jīng)過(guò)了較多次的嘗試與分析后,確定了比較好的樣本收集及切片方法。

同時(shí)在后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,由于植物樣本和動(dòng)物樣本的差異性,在實(shí)驗(yàn)試劑上也較常規(guī)試劑盒做了更改,例如在樣本透化過(guò)程中,由于植物樣本具有細(xì)胞壁,很難將mRNA透化出來(lái),所以我們根據(jù)楊樹細(xì)胞壁的成分,添加了不同的蛋白酶,去進(jìn)行預(yù)透化。并且,在實(shí)驗(yàn)前期我們也與空轉(zhuǎn)發(fā)明人瑞典科學(xué)家Joakim Lundeberg進(jìn)行了溝通交流,最終確定下適合植物樣本的試劑方案。后續(xù)在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中,我們也和杜老師多次溝通,摸索出了一套植物空轉(zhuǎn)特有的分析方案。

目前上海伯豪生物在植物空轉(zhuǎn)樣本類型上已經(jīng)有較多的嘗試,如擬南芥、楊樹、 槐樹等植物類型我們都進(jìn)行過(guò)包埋和切片實(shí)驗(yàn),也都有較豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

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發(fā)布者:上海伯豪生物技術(shù)有限公司
聯(lián)系電話:021-58955370
E-mail:market@shbio.com

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