细胞作为生物体最基本的单元是生命活动的基石，解析单细胞响应环境变化以及细胞间互作对探究整个组织功能至关重要。虽然单细胞转录组学技术在植物研究中广泛应用，但存在一些局限性。为了更全面地了解各类型细胞的功能及其与环境的相互作用，需要在单细胞分辨率下对大量基因进行空间基因表达分析。近日，来自美国索尔克生物研究所植物生物学实验室的Joseph R. Ecker团队在Nature Plants杂志上在线发表了名为Multiplexed single-cell 3D spatial gene expression analysis in plant tissue using PHYTOMap的研究论文。在这篇论文中，作者提出了一种基于荧光原位杂交观察基因表达的方法——PHYTOMap (plant hybridization based targeted observation of gene expression map)，能够以低成本、无转基因的方式在整株植物组织中进行单细胞及空间基因表达分析。
作者利用PHYTOMap对拟南芥根中28个细胞类型标记基因进行了同时分析，并成功地确定了主要的细胞类型，表明该方法可以大大加快复杂植物组织中单细胞RNA测序数据集中标记基因的空间定位。
PHYTOMap建立在植物原位杂交技术和在神经科学中发展起来的原位测序技术的基础上。先把植物组织固定，将带有特异性barcoded的DNA探针与靶标信使RNA分子杂交，并进行循环和原位扩增。通过杂交测序(SBH)来确定mRNA分子的位置。作者把这些信号与其他成像技术的结果进行比较检测了PHYTOMap的准确性。结果均说明了PHYTOMap可以作为一种有效的工具，在不通过转基因植物的情况下，检测到先前在scRNA-seq数据中鉴定到的标记基因。
为了证明这种方法的多路复用能力，作者针对同一根尖上的28个基因进行了7轮成像。包括细胞型已知的标记基因以及在scRNA-seq数据中鉴定的未经验证的细胞型候选基因，它们在根尖上的表达水平不同。并且开发了一个计算管道来整合每轮成像的图像，并在单细胞分辨率下分析基因表达。
然后作者分析了五种根尖制剂，从3608个细胞中鉴定出总计259781个RNA分子(平均每个细胞 19个分子)，检测出不同生物样本中每种RNA的转录本数量相当。这表明细胞或样本之间的基因表达可以进行定量比较，验证了PHYTOMap 具有较高的敏感性，可以在单细胞分辨率下以高度可复制的方式对数十个基因进行空间绘制。对于PHYTOMap的局限性作者也进行了检验，连续进行了14轮针对相同基因的实验，整个成像的结果说明提高斑点检测的精度和灵敏度是未来的一个重要任务。
总之，该实验室提出的PHYTOMap是一种新技术，它可以在不需要植物转基因的情况下，在整个植物组织中进行多个单细胞空间基因表达分析。
