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近年来，光合作用作为植物生命活动的核心环节，与粮食安全、能源开发及气候变化等全球性挑战密切相关，备受科学界和行业的高度关注。时空组学技术是近年来比较火热的技术之一，在植物领域的应用广泛且深入，该技术通过同时获取细胞的空间位置信息和基因表达数据，为理解植物组织生长发育、生理生化、抗逆应激、生物进化等多个方面提供了重要的研究手段。
于是，我问DeepSeek：植物如何利用时空组学进行光合作用研究？
植物利用时空组学（Spatio-Temporomics）研究光合作用，主要通过整合空间组学（空间分辨的分子数据）和时间组学（动态变化的分子数据），揭示光合作用相关基因、蛋白质、代谢物等在时间和空间上的协同调控机制。以下是具体研究方向和技术的应用：1.空间组学解析光合作用的细胞/组织异质性
- 空间转录组学：
利用单细胞或空间分辨转录组技术（如10x Genomics Visium、MERFISH），定位光合作用相关基因（如编码光系统蛋白的基因、卡尔文循环酶基因）在叶片不同细胞类型（叶肉细胞、维管束鞘细胞）或不同组织区域的表达差异。例如，C4植物中光合基因在叶肉细胞和维管束鞘细胞中的空间特异性表达。
- 空间蛋白质组学：
通过质谱成像（MALDI-MSI）或荧光标记技术，研究光合作用关键蛋白（如Rubisco、PSII复合体）在叶绿体基质、类囊体膜等亚细胞结构中的分布，以及光强变化对蛋白定位的影响。
- 空间代谢组学：
分析光合中间产物（如ATP、NADPH、蔗糖）在叶片不同区域的动态积累，揭示光合同化产物（如淀粉、糖）的运输与分配机制。
2.时间组学揭示光合作用的动态调控
- 昼夜节律与光响应：
通过时间序列转录组、蛋白质组数据，研究光合作用基因（如LHCB、PIFs）在昼夜周期中的表达波动，以及光信号（如红光、蓝光）如何通过生物钟调控光合效率。
- 发育阶段动态：
比较幼苗、成熟叶、衰老叶中光合相关基因的时序表达模式，揭示叶绿体发育（如原质体分化）和衰老过程中光合能力的动态变化。
- 环境胁迫响应：
分析高温、干旱或高光胁迫下，植物光合作用相关基因和代谢物的短期（分钟级）和长期（数天）响应，例如光保护机制（非光化学淬灭，NPQ）的动态调控。
3.时空整合解析光合作用的协同网络
- 多组学整合：
结合空间转录组、蛋白质组和代谢组数据，构建光合作用基因-酶-代谢物的时空调控网络。例如，光合同化产物（如蔗糖）的输出如何与维管组织发育相关联。
- 细胞间通讯研究：
利用空间组学数据，分析叶肉细胞与维管束鞘细胞之间的代谢物交换（如C4植物的CO2浓缩机制），或共生微生物（如固氮菌）如何影响宿主光合作用。
- 3D时空建模：
通过计算模型模拟叶片中光梯度、CO2扩散与光合基因表达的空间耦合关系，预测最优光合效率的叶片结构。
4.应用场景与案例
- C3与C4植物比较：
时空组学可揭示C4植物光合细胞分工（Kranz结构）的进化机制，例如PEP羧化酶在维管束鞘细胞中的特异性表达。
- 作物改良：
通过筛选光合效率时空差异的基因（如调控气孔开闭的基因），设计高光效作物品种。
- 极端环境适应：
研究荒漠植物（如仙人掌）如何在干旱条件下时空调控光合相关基因，减少水分流失。
5.技术挑战与未来方向
- 技术限制：
当前空间组学分辨率（单细胞/亚细胞级别）和通量仍需提升，尤其是叶绿体内分子动态的实时监测。
- C3与C4植物比较：
跨尺度（分子-细胞-组织）和多组学数据的整合分析需要更强大的算法支持。
- 活体动态监测：
开发非侵入式成像技术（如荧光报告系统），实时追踪光合作用相关分子的时空动态。
DeepSeek提到的当前空间组学分辨率（单细胞/亚细胞级别）和通量的限制，百迈客生物已经进行了优化提升，推出了百创S3000空间转录组芯片（捕获区面积：6.8*6.8mm2，相邻两个捕获位点的中心距为3.5μm）。该芯片具有高基因捕获效率，搭配植物多尺度细胞分割技术，部分植物组织单个细胞中位基因数可达1000+，基因捕获能力媲美单细胞测序。
关于应用方向场景案例，DeepSeek究竟说的对不对？
我们还需要结合已发表的文献看一看，于是小编又下载盘点了7篇植物光合作用方向的时空组学文章，这些成果发表期刊有Nature(IF=50.5)与预印本系统bioRxiv。研究的物种涉及水稻、高粱、玉米、狗尾草、黍、冰叶日中花、Urochloa fusca、堇娘芥等，涉及组织部位主要是幼苗叶片、叶原基等。
接下来，我们一起来看看植物光合作用方向的时空组学应用进展吧！
1.祖先细胞身份网络的扩展驱动C4光合作用的进化
英文标题：Exaptation of ancestral cell-identity networks enables C4?photosynthesis发表期刊：Nature
影响因子：50.5
物种样本：水稻（Oryza sativa，C3植物）、高粱（Sorghum bicolor，C4植物）
测序策略：单细胞核RNA测序、单细胞核多组学测序、高分辨率sci-RNA-seq3技术
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08204-3
发表时间：2024.11.20
取样策略：
单细胞核转录组：水稻和高粱幼苗暗生长5天后，在光周期（12h光/12h暗）中采集0h（暗）、0.5h、1h、2h、4h、6h、8h、12h、48h共9个时间点的地上组织。总计水稻190,569个核、高粱265,701个核。
图1-水稻和高粱单细胞测序取样过程示意图
① 地球上大多数高产植物通过C4途径进行光合作用，相较于原始的C3途径，C4途径的光合效率提高了50%。维管束鞘细胞在激活光合作用中扮演了关键角色。然而，维管束鞘细胞如何执行光合调控功能尚不明确。
② 该研究通过单细胞RNA测序(sc-RNAseq)和单细胞转座酶可及性染色质测序(sc-ATACseq)，揭示了C4叶片中维管束鞘细胞基因表达的变化与C3叶片中已知的顺式调控元件相关。研究发现，在C3植物水稻和C4植物高粱中，DOF motif在维管束鞘细胞中定位，并能调控光合作用的发展。在高粱中，大多数受光合作用调控的高表达基因都受到DOF motif的调控。这些转录因子在不同细胞间稳定表达，并能在C3和C4植物叶片的维管束鞘细胞中激活光合作用。
③ 该研究结果为理解复杂的C4途径进化提供了分子层面的见解，并为指导C3和C4作物的生长发育提供了理论基础。
图2-水稻和高粱幼苗去黄化过程中单细胞核的基因表达和染色质可及性
2.禾本科植物单细胞分辨率下C3与C4光合作用顺式调控基础研究
英文标题：Investigating the cis-Regulatory Basis of?C3?and?C4?Photosynthesis in Grasses at Single-Cell Resolution发表期刊：bioRxiv
物种样本：C4植物：玉米（Zea mays，NADP-ME型）、高粱（Sorghum bicolor，NADP-ME型）、黍（Panicum miliaceum，NAD-ME型）、Browntop Signalgrass（Urochloa fusca，PEPCK型）；对照C3植物：水稻（Oryza sativa）
测序策略：sciATAC-seq
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.01.05.574340
发布时间：2024.01.05
取样策略：
发育阶段：C4物种取第三叶展开期叶片，C3水稻取18天龄叶片；
技术重复：每个物种设置生物学重复，总计玉米16,060核、高粱15,301核、黍7,081核、Browntop Signalgrass共19,110核、水稻5,952核。
① 尽管关于C4光合作用关键酶的研究已经有了相当多的认识，但对于在特定细胞类型中指定其表达的重要顺式调控机制（cis-regulation）的了解却少之又少。
② 该研究使用单细胞sci-ATAC-seq来鉴定与C4酶相关的特异细胞类型的可及染色质区域（ACRs），研究涵盖了五种不同的禾本科植物，包括四种C4植物和一种C3植物。其中，C4植物分属三种不同的光合亚型：玉米（Zea mays）和高粱（Sorghum bicolor）属于NADP-ME亚型；黍（Panicum miliaceum）属于NAD-ME亚型；Urochloa fusca属于PEPCK亚型；C3植物水稻（Oryza sativa）
③ 该研究绘制了所有C4植物中必需酶和各C4亚型特有酶的cis-调控图谱，并使用染色质可及性数据测量C4酶的特定细胞类型偏好。将这些数据与系统发育学相结合，揭示了物种间基因家族成员的多样化共选择，展示了C4进化的不同路径。除了启动子近端ACRs，研究发现C4基因平均每个都有两到三个远端特异性细胞类型的ACRs，这突出了C4进化的复杂性和多样性。在研究这些特异性细胞类型ACRs的进化历史时，发现即使在密切相关的物种中，也存在从保守到新颖的ACRs光谱，表明这些C4位点的顺式调控正在持续进化。
④ 该研究揭示了C4光合作用关键基因位点的顺式调控进化动态和复杂性，尤其强调了这些位点的精细化顺式调控进化。研究成果为未来进一步探索提供了重要资源，可能有助于在气候变化条件下优化C3作物的性能。
图3-在单细胞分辨率下对不同作物的细胞类型注释
3.单细胞分辨率下冰叶日中花CAM诱导的叶肉特异性昼夜动态
英文标题：Mesophyll-Specific Circadian Dynamics of CAM Induction in the Ice Plant Unveiled by Single-Cell Transcriptomics发表期刊：bioRxiv
物种样本：冰叶日中花（Mesembryanthemum crystallinum，兼性CAM植物）
测序策略：单细胞核RNA测序、Iso-Seq全长转录组测序、基因组组装
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.01.05.574430
发布时间：2024.01.05
取样策略：
处理条件：盐胁迫组：5周龄植株经0.5M NaCl处理8天；
对照组：正常灌溉植株；
时间点：光周期（12h光/12h暗）中采集黎明（Dawn）和黄昏（Dusk）样本，盐处理组与对照组各取2个时间点，共4组样本的叶片；
单细胞核测序：共获取17,994个高质量核，注释17个细胞簇，覆盖叶肉（海绵/栅栏）、表皮、保卫细胞、木质部、韧皮部等
① 景天酸代谢（Crassulacean acid metabolism, CAM）是C3光合作用二氧化碳固定途径的一个进化改良形式，大约有7%的陆生植物通过这种方式适应干旱环境。可诱导型CAM植物，例如冰叶日中花（Mesembryanthemum crystallinum，普通冰草），拥有一种独特的能力，能够在高盐度和水分不足的胁迫下从C3光合作用切换到CAM光合作用。
② 该研究通过单核RNA测序（snRNA-seq），结合一个全新高质量组装和注释的基因组，对冰草从C3到CAM的环境诱导转变进行了表征，以识别其潜在的调控因子。针对在黎明和黄昏采集的冰草叶片在C3和CAM切换过程中单核RNA测序数据的分析，揭示了在CAM诱导初期叶肉细胞中存在显著的转录变化。
③ 值得注意的是，该研究发现标明了黄昏时参与CAM或C3光合作用的不同叶肉亚细胞类型。细胞轨迹推断分析重建了全天候（24小时）的CAM和C3周期，直接比较了两条途径中的基因表达谱。这项对比研究揭示了CAM和C3细胞轨迹中关键昼夜节律基因的不同表达模式，表明昼夜节律调控与CAM的诱导之间存在联系。
图4-所有四个snRNAseq数据集的UMAP聚类
4.植物细胞类型特异性顺式调节元件的进化
英文标题：Evolution of plant cell-type-specific?cis-regulatory elements发表期刊：bioRxiv
物种样本：核心物种：水稻（Oryza sativa，C3植物）
比较物种：玉米（Zea mays）、高粱（Sorghum bicolor）、黍（Panicum miliaceum）、Urochloa fusca
测序策略：单细胞ATAC测序、空间转录组学（Slide-Seq V2）、Iso-Seq全长转录组测序
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.01.08.574753
发布时间：2024.01.08
取样策略：
单细胞ATAC测序：水稻：叶、根、种子、穗等9个器官；发育阶段：叶原基（P3-P6）、成熟叶（V4阶段）；其他物种：玉米、高粱、黍、Browntop Signalgrass
空间转录组：水稻根
① Cis调控元件（Cis-regulatory elements, CREs）在基因表达调控中至关重要，但其进化机制的理解仍然具有挑战性。
② 该研究构建了一个全面的水稻（Oryza sativa）染色质可及性单细胞图谱，整合了来自103,911个细胞核、代表126种离散细胞状态的九个不同器官的数据。通过比较基因组学，分析了水稻与另外四种禾本科植物（玉米?Zea mays、高粱?Sorghum bicolor、黍?Panicum miliaceum?和?Urochloa fusca）中57,552个细胞核的细胞类型分辨染色质可及性之间的差异。
③ 研究发现，可及染色质区域（Accessible Chromatin Regions, ACRs）的保守性水平因细胞类型特异性程度的不同而有所区别。还发现ACRs、保守的非编码序列、细胞类型特异性、保守性和组织特异性切换之间存在复杂关系。此外，该研究发现表皮ACRs相比于其他细胞类型的ACRs保守性较低，这可能表明这些物种的L1来源的表皮层经历了更快速的调控进化。最后，研究人员鉴定并表征了一组与抑制性组蛋白修饰H3K27me3重叠的保守ACRs，这表明它们可能是由进化保留下来的类沉默子CREs。
④ 总体而言，这种比较基因组学方法揭示了植物细胞类型特异性CRE进化的动态特征。
图5-利用scATAC-seq数据鉴定水稻的细胞类型和表征ACRs
5.玉米叶原基单细胞转录组图谱揭示Kranz解剖结构调控机制
英文标题：Single-cell?resolved?differentiation?of?pre-Kranz?anatomy?in?maize?leaf?primordia发表期刊：bioRxiv
物种样本：玉米（Zea mays?B73）、水稻（Oryza sativa Nipponbare）
测序策略：单细胞核转录组、bulk-RNA seq
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.07.10.602848
发布时间：2024.07.14
取样策略：
从玉米叶原基：P3-P6原基分段取样（M3tip、M3middle、M3base；M2top、M2base）、3-4 mm P4原基单细胞核分离；水稻叶片原基：5 mm原基分段取样（R3tip、R3middle、R3base）
① 典型的C4植物如玉米，具有高度优化的Kranz型叶片结构，其中特定的花环状结构由围绕叶脉紧密排列的叶肉细胞和维管束鞘细胞组成。
② 该研究区分了早期叶原基中维管发育的活跃区域，并通过分段的玉米和水稻叶原基的比较转录组学分析，识别出可能参与早期Kranz发育的基因群。利用单细胞核RNA测序（snRNA-seq），进一步探讨了单个玉米叶原基中的细胞异质性和发育轨迹。借助原位杂交技术，识别了mGM和原形成层的细胞簇，候选标记基因显示出不同但相互关联的表达模式。维管标记基因ZmSHR1的定位先于ZmEREB161和ZmEREB114，这两者在原形成层的起始阶段表达。
③ 该研究描绘了从发展中的玉米原基尖端向下的潜在维管束鞘细胞亚群和不同层次的叶肉细胞。
④ 综上所述，该研究识别出潜在源自mGM或定位于原形成层的Kranz调控因子，并提供了在亚原基和单细胞分辨率下研究玉米和水稻叶脉发育的资源。
图6-玉米P4叶原基的细胞异质性
6.C4草本植物Kranz解剖结构形成过程中预存调控网络的重编程
英文标题：Comparative spatiotemporal single cell transcriptomes reveal rewiring of pre-existing regulations during emergence of Kranz anatomy in C4?grasses发表期刊：bioRxiv
物种样本：玉米（Zea mays）、高粱（Sorghum bicolor）、狗尾草（Setaria viridis）、水稻（Oryza sativa）
测序策略：单细胞核转录组、高分辨率空间转录组
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.10.28.620769
发布时间：2024.10.28
取样策略：
单细胞核&空间转录组：12日龄玉米幼苗基部茎段叶原基（P3-P6），通过Cellpose 2.0识别细胞壁轮廓，提取14,037个空间单细胞转录组
① 世界上许多高产的粮食作物和生物能源作物都采用C4光合作用，这种光合作用通过基于Kranz解剖结构的CO2浓缩机制实现了高光合效率。
② 该研究通过比较转录组学的方法，结合玉米（Zea mays）叶原基的单细胞空间转录组数据，以及三种C4植物（玉米、高粱、狗尾草）和一种C3植物（水稻）对应叶组织的单细胞RNA测序（scRNA-seq）图谱，研究了Kranz解剖结构发育和演化过程中涉及的调控网络。
③ 研究表明，Kranz解剖结构的形成涉及对现有调控模块的广泛招募和改造，特别是SHR-SCR模块和生长素信号通路。研究还发现，INDETERMINATE DOMAIN（IDD）家族转录因子（如IDD7和IDDP1）在这些模块的改造中发挥了重要作用。这种对现有基因调控程序的广泛招募和改造，是C4光合作用在演化过程中反复出现的基础机制。
图7-玉米叶原基的空间转录组研究
7.C3-C4中间型十字花科植物维管束鞘细胞在光呼吸穿梭中的功能
英文标题：Single-nuclei sequencing of Moricandia arvensis reveals bundle sheath cell function in the photorespiratory shuttle of?C3-C4?intermediate Brassicaceae发表期刊：bioRxiv
物种样本：C3-C4?中间型植物：堇娘芥（Moricandia arvensis）
测序策略：单细胞核转录组
DOI：https://doi.org/10.1101/2024.12.02.626447
发布时间：2024.12.02
取样策略：
单细胞核转录组：取5-6叶期堇娘芥幼苗的第五、第六叶片（距地面5mm处）
公共数据：拟南芥叶片单细胞测序数据
幼年期：0、1、2、3、4周；成年期：6、8、12周；老年期：6月、1年、2年。
① 基因表达的空间限制决定了细胞身份，并且是复杂植物性状的基础。在从C3光合作用向更高效的C4光合作用的进化过程中，将甘氨酸脱羧酶反应限制在维管束鞘细胞内，通过光呼吸甘氨酸穿梭启动了碳浓缩机制。通常认为，这一进化步骤在从祖先的C3光合作用向C4光合作用的过渡中起到了重要作用。执行这一穿梭机制的植物通常被称为C3-C4中间型植物或C2植物。在十字花科（Brassicaceae）家族中，这类植物至少独立进化了五次。然而，关于十字花科C3-C4中间型植物的生物化学研究仅限于少数关于叶肉细胞与维管束鞘细胞之间差异定位蛋白的案例研究。
② 该研究利用最近在单细胞转录组测序方面的进展，更好地理解新的细胞特化如何影响相互关联的途径。研究人员为具有C3-C4中间特征的堇娘芥（Moricandia arvensis）生成了单细胞核RNA测序数据集，并将其与公开可用的C3拟南芥（Arabidopsis thaliana）叶组织的单细胞转录组进行了比较，还通过免疫金标记技术结合电子显微镜独立验证了选定光呼吸蛋白的定位。
③ 该研究分析揭示了与光呼吸甘氨酸脱羧酶反应直接相关的基因表达的变化，同时也包括相关途径的基因表达转移，例如铵的同化、特定氨基酸的合成、氧化还原调节和对M. arvensis维管束鞘的转运。相比之下，在C4植物中，这些基因的表达并未局限于这一细胞类型。
图8-堇娘芥叶片单细胞图谱
根据上述文献，可以总结出应用时空组学解析植物光合作用机制常用思路的技术路线图。
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