主要内容：拟南芥（Arabidopsis thaliana）的根是研究植物细胞分化的宝贵模型。细胞类型围绕中心维管束以同心层的方式排列，并来源于位于根尖的干细胞群体。在干细胞分裂时，它们的后代被推向芽部，并逐渐分化，从而创造出一种发育轨迹，这种轨迹使细胞的空间排列重现了分化的时间动态（图1a）。图1：拟南芥根尖的高分辨率单细胞图谱揭示了细胞谱系轨迹中的早期二分法。a，根尖的示意图。b，我们的参考图谱的UMAP图，包含了87,056个拟南芥Col-0细胞（9个样本）。细胞根据群集进行着色，这些群集的身份是通过全挂载HCR确定的。c，显示15个用于通过全挂载HCR确定群集身份的标记基因的群集特异性表达的箱形图（n = 87,056个细胞，来自9个独立实验）。箱形图显示中位数、25到75百分位数以及延伸到1.5倍四分位差内的最极端值的须；白色点表示均值。d，上方，展示了为精确分配群集的细胞类型而在c中识别的15个标记基因的全挂载HCR。下方，为清晰起见，展示了木质部标记基因的特写图像。展示了代表性图像；结果在至少两个独立实验中重复取得相似结果。尺度条为50 μm。e，参考图谱的UMAP图显示在伪时间分析中独立处理的不同细胞谱系细分。细胞根据每个谱系中的子集进行着色。f，UMAP图显示每个细胞的扩散伪时间分配，按照谱系分类。t = 0对应具有最高分生评分的细胞，t = 1代表谱系中与t = 0最不同的状态。g，通过结合e中显示的子集之间的连通性（在PAGA中计算）和f中计算的伪时间推断，揭示了影响所有细胞谱系的两个不同发育分支（称为分支1和分支2）。来源数据：单细胞RNA测序（scRNA-seq）精细化了拟南芥根细胞类型的转录特征，并实现了这些发育轨迹的高分辨率重建。尽管这些研究已在各个谱系中识别出短暂的细胞状态，但它们在很大程度上是独立分析每个谱系的，可能忽略了在发育身份不论的情况下多个细胞类型共享的转录状态。这些共享的转录状态是否存在以及它们如何影响根细胞身份仍然在很大程度上未被探索。根细胞谱系中的二分法：为了描述根发育过程中的细胞状态，我们生成了拟南芥Col-0根尖的高分辨率scRNA-seq（10x Genomics）图谱。经过过滤低质量细胞、双细胞和受原生质体分离显著影响的基因后，批量整合生成了一个包含87,056个细胞的参考图谱，来自9个重复，检测到的基因总数为25,784。我们识别了27个转录上独特的群集，并通过将差异表达与优化的全挂载杂交链反应（HCR）结合来分配它们的身份，并通过组织清晰化来空间映射15个最特异的标记基因的表达。此过程解析了所有已知细胞类型，包括不同的根冠亚群（早期、尖端和侧面）。一个位于根冠和表皮之间的群集无法通过标记表达直接分配。然而，基于其位置和这些组织的发育来源，注释为“表皮-分生组织”。细胞根据其发育谱系（表皮、根冠、皮层、内皮、木质部极管周（XPP）、韧皮部极管周（PPP）、原形成层、韧皮部和木质部）进行分组，确认了本体发生程序仍然是根细胞身份的主要决定因素。来自每个谱系的细胞独立分析以重建发育轨迹。通过从富集于分生表皮群集的基因中得出的分生评分为每个谱系计算，具有最高评分的细胞定义为轨迹起点（t = 0）。轨迹拓扑通过基于分区的图抽象（PAGA）进行推断，发育进展通过从t = 0的扩散伪时间进行排序。根冠谱系表现出最复杂的拓扑，并重现了已知的发育事件。即，侧面和尖端群体的分裂及其与柱状细胞的汇聚形成剥落边界细胞。