您是否在为纯基因组研究难以突破而焦虑？当越来越多的同行开始转向单细胞领域，您是否思考过二者结合的无限可能？单细胞测序能将研究精度从组织层面聚焦到单个细胞，与基因组数据联动，不仅能挖掘更深层的生物学机制，更能开辟全新的研究方向。今天，我们就通过几篇具有代表性的文章，揭开“基因组+单细胞”冲击高分文章的神秘面纱。

本期我们盘点了6篇“基因组+单细胞”研究成果，这些成果发表在Science(IF=45.8)、Nature communications(IF=15.7)、Nature Ecology & Evolution(IF=14.5)、Advanced Science(IF=14.1)、Plant Biotechnology Journal(IF=10.5)等期刊上。研究涉及的物种主要包括暗色吸蜜鹦鹉、柏氏四盘耳乌贼、鬃狮蜥、灯塔水母、海月水母、大莎(suō)草、紫皮石斛等。

英文标题：A molecular mechanism for bright color variation in parrots

发表期刊：Science

影响因子：45.8

物种样本：暗色吸蜜鹦鹉、虎皮鹦鹉

测序策略：基因组、重测序、转录组、单细胞转录组、单细胞ATAC

其他实验：化学分析、酵母实验

DOI：10.1126/science.adp7710

发表时间：2024.11.01

基因组测序：暗色吸蜜鹦鹉（Dusky lory）

重测序和变异检测：暗色吸蜜鹦鹉的57个个体（35个红色，22个黄色）

转录组：暗色吸蜜鹦鹉（3只红色个体和3只黄色个体的再生羽毛毛囊）；粉脸牡丹鹦鹉（8只鸟的不同羽毛区域进行取样，其中有额头红色羽毛以及背部、胸部和头部的绿色羽毛区域）

单细胞转录组：虎皮鹦鹉（budgerigar）的再生羽囊（n=2）

单细胞ATAC：虎皮鹦鹉的再生羽囊（n=2）

1. 鹦鹉的鲜艳颜色已知是由一种称为鹦鹉黄素的色素决定的，但这些颜色的分子基础仍然未知。本研究揭示了鹦鹉广泛羽毛颜色的统一化学基础——这些颜色源于发育中羽毛对含红色醛基和黄色羧基的鹦鹉色素分子的选择性沉积。

2. 研究通过基因组，生化测定，转录组，单细胞转录组、单细胞ATAC等多组学分析以及分子功能验证，发现了这一过程中的关键参与者：醛脱氢酶ALDH3A2。在羽毛发育的角质形成细胞终末分化阶段，该酶将醛基鹦鹉黄素氧化为羧基形式。这一分子机制的简洁性——单一酶即可影响红黄色素的平衡——揭示了鹦鹉羽色非凡的进化适应性。

图1 羽毛发育过程中ALDH3A2的表达

英文标题：A single-cell atlas of the bobtail squid visual and nervous system highlights molecular principles of convergent evolution

发表期刊：nature ecology & evolution

影响因子：14.5

物种样本：柏氏四盘耳乌贼（Euprymna berryi）

测序策略：基因组、转录组、单细胞转录组

DOI：10.1038/s41559-025-02720-9

发表时间：2025.06.06

基因组测序：柏氏四盘耳乌贼（Euprymna berryi）染色体级别基因组组装

转录组：胚胎发育阶段（0-28期）和一只100日龄以上成年雄性乌贼的26个器官

单细胞转录组：成年柏氏四盘耳乌贼视网膜、视叶、血液、非视叶脑部组织；孵化后1天幼体的视叶

1. 头足类动物与脊椎动物的视觉系统是教科书式的趋同进化案例，但其分子基础尚不明确。本研究对柏氏四盘耳乌贼（Euprymna berryi）的98,537个细胞进行了单细胞转录组分析，以探究头足类视网膜和视叶与脊椎动物视网膜的关联。

2. 本研究证实了头足类视网膜整体相对简单，但鉴定出两种表达不同r-视紫红质（r-opsin）的相关光感受器细胞亚型。相比之下，成年视叶包含多样的神经元和神经胶质细胞类型，以多巴胺能神经元为主。研究表明，头足类特有的基因复制可能促成了这种细胞类型的多样化。

3. 通过比较幼体和成体视叶中的神经元细胞群体，本研究揭示了随着年龄增长向多巴胺能神经递质使用的转变。从分子角度，进一步鉴定出一种从视叶到视网膜的基于FMRF-酰胺的逆向信号，这支持了头足类视叶皮层与脊椎动物内视网膜在视觉信号处理中的功能类比。

4. 最后，与脊椎动物和节肢动物细胞的比较分析提出一种可能情景：两种光感受器类型和两类神经元群体可能已存在于两侧对称动物的共同祖先的眼中。

图2 柏氏四盘耳乌贼视网膜的细胞类型补充

英文标题：Origin and stepwise evolution of vertebrate lungs

发表期刊：nature ecology & evolution

影响因子：14.5

物种样本：9个物种的肺组织

测序策略：基因组、CUT&Tag测序、ChIP-Seq、蛋白质组、转录组、单细胞转录组

DOI：10.1038/s41559-025-02642-6

发表时间：2025.02.14

基因组测序：重新组装鬃狮蜥基因组，BUSCO完整性93%

转录组：白斑竹鲨的19个器官，塞内加尔多鳍鱼、非洲肺鱼的多组织，以及人、小鼠的公共数据

单细胞转录组：塞内加尔多鳍鱼、非洲肺鱼、非洲牛蛙、鬃狮蜥、鸡、猪、人、小鼠、大鼠的肺组织，包括成年和发育阶段；成年塞内加尔多鳍鱼、非洲肺鱼的10个组织；白斑竹鲨的14个器官；斑马鱼的鱼鳔

CUT&Tag测序：鸡肺（E9、E11、E19、P23）和小鼠肺（出生后4周），检测H3K27ac（增强子活性标记）和H3K4me1（增强子特征标记）

ChIP-Seq：小鼠肺发育的ENCODE项目ChIP-seq数据

蛋白质组：非洲肺鱼的鳃和肺组织（2个生物学重复）

1. 肺是陆生脊椎动物的重要呼吸器官。大部分硬骨鱼都有肺，但软骨鱼无肺，因此它们是研究器官演化的理想模型。

2. 本研究分析了跨脊椎动物物种的成年和发育中肺的单细胞RNA测序数据，揭示了细胞组成、发育轨迹和基因表达模式方面的显著相似性。令人惊讶的是，尽管软骨鱼没有肺，但它们体内存在很大比例的肺相关基因、共表达模式以及许多肺增强子，这表明在有颌脊椎动物的最后一个共同祖先中就已存在肺发育的大量遗传基础。

3. 此外，自硬骨鱼的最后一个共同祖先以来出现的1,040个增强子可能包含导致肺发育的肺特异性元件。进一步确定1型肺泡细胞是哺乳动物特有的一种肺泡细胞类型，同时还有几个哺乳动物特有的基因，包括ager和sfta2，它们在肺中高度表达。功能验证表明，敲除小鼠中的sfta2基因会导致严重的呼吸缺陷，突出了其在哺乳动物肺部特征中的关键作用。

综上所述，本研究为脊椎动物肺的进化提供了全面的见解，展示了调控网络的改变和新基因的出现是如何塑造不同物种的肺发育和特化的。

图3 脊椎动物成年肺与共同高表达基因的比较分析

英文标题：Genomic and single-cell analyses reveal genetic signatures of swimming pattern and diapause strategy in jellyfish

发表期刊：nature communications

影响因子：15.7

物种样本：灯塔水母(Turritopsis rubra)和海月水母(Aurelia coerulea)

测序策略：基因组、转录组、单细胞转录组

DOI：10.1038/s41467-024-49848-z

发表时间：2024.07.15

基因组测序：灯塔水母(Turritopsis rubra)和海月水母(Aurelia coerulea)的染色体级别基因组组装

转录组：4种水母（Chrysaora quinquecirrha、Rhopilema esculentum、A. coerulea、T. rubra）的感觉器官和bell margins（对照）组织

单细胞转录组：灯塔水母(Turritopsis rubra)不同发育阶段（浮浪幼虫、水螅体、四叶结构、包囊、水母体）的样本；海月水母(Aurelia coerulea)水母体样本

1. 水母展现出独特的游泳模式，这为探索动物运动的起源提供了重要线索。然而，这些游泳模式背后的遗传和细胞基础仍不明确。

2. 本研究构建了两种水母（灯塔水母和海月水母）的染色体水平基因组，它们分别具有直线游泳和自由游泳模式。本研究发现许多参与耳石形成、毛细胞纤毛发生、纤毛运动和运动神经元功能的基因受到正选择。灯塔水母中特有的耳石形态发生和纤毛运动相关基因的缺失，可能与其平衡囊的结构性丢失及直线游泳模式有关。

3. 值得注意的是，涵盖关键发育阶段的单细胞转录组分析显示，在逆转发育过程中，包囊内富集了与滞育相关的基因，这表明持续的滞育状态有利于在适宜条件下发育出新的水螅体。

4. 本研究揭示了水母中遗传、运动模式和生存策略之间的复杂关系，从而为深入认识海洋动物运动演化和适应策略提供了新见解。

图4 灯塔水母不同发育阶段的细胞图谱

英文标题：Genomic and Cis-Regulatory Basis of a Plastic C3-C4 Photosynthesis in Eleocharis Baldwinii

发表期刊：Advanced Science

影响因子：14.1

物种样本：大莎草(Eleocharis Baldwinii)

测序策略：基因组、转录组、单细胞转录组、单细胞ATAC

DOI：10.1002/advs.202415681

发表时间：2025.05.30

基因组测序：大莎草(Eleocharis Baldwinii) gap-free级别异源多倍体基因组组装

转录组：大莎草成熟茎秆

全长转录组：陆地和水下环境中的成熟茎秆、根和茎的mRNA混合样本，辅助基因结构注释

单细胞转录组：12日龄的大莎草植株在3种环境（陆地、水下、水下+5μM ABA处理）下的茎秆

单细胞ATAC：陆地（12,801个核）和水下（11,800个核）环境下的12日龄大莎草茎秆

1. C₄植物光合作用是高效碳固定的关键特性；然而，其形成的基因组基础和环境影响仍有待深入探索。

2. 本研究以具有光合可塑性的莎草科植物——大莎草（Eleocharis baldwinii）为研究对象，其在水下表现出类似C₃的特性，在陆地上则表现出类似C₄的特性，旨在拓展对C₄光合作用的认知。

3. 本研究组装了无缺口的异源多倍体基因组，并通过单核RNA测序技术构建了细胞表达图谱。研究发现，不同细胞类型中存在影响C₄酶基因表达的亚基因组优势效应。利用单核转座酶可及性染色质测序技术，对与C₄途径、Kranz解剖结构特化及环境响应相关的顺式调控模式进行了评估，结果表明C₄途径的形成涉及一些由环境触发的、细胞特异性的顺式调控元件。

4. 通过对大莎草与玉米的比较分析进一步发现，调控Kranz解剖结构特化的顺式调控因子家族在物种间具有保守性，而调控C₄代谢的顺式调控因子家族则存在差异，这凸显了趋同性状背后的遗传多样性。

5. 本研究为理解植物如何进化出C₄光合作用，尤其是环境因素的影响，提供了基因组和调控层面的见解。

图5 单细胞核转录组显示了C4基因的细胞表达

英文标题：Resolving floral development dynamics using genome and single-cell temporal transcriptome of Dendrobium devonianum

发表期刊：Plant Biotechnology Journal

影响因子：10.5

物种样本：紫皮石斛(Dendrobium devonianum)

测序策略：基因组、转录组、空间代谢组、单细胞转录组

DOI：10.1111/pbi.70094

发表时间：2025.04.16

基因组测序：基于Oxford Nanopore长读长测序与Hi-C技术，组装紫皮石斛(Dendrobium devonianum)染色体级别基因组，并对蛋白编码基因进行注释

转录组：紫皮石斛根、茎、叶、不同发育阶段的花（S1-S15）、花器官（蕊柱、唇瓣、花瓣、萼片）及唇瓣不同区域（边缘、黄色斑点、紫色区域、白色区域）

单细胞转录组：紫皮石斛3个关键发育阶段的花样本（S1：早期芽，~0.2 cm；S6：中期芽，~0.9 cm；S15：完全开放花）

MALDI-MSI空间代谢组：对紫皮石斛唇瓣切片（80μm）进行代谢物空间分布分析，检测花青素和类胡萝卜素的积累模式

1. 紫皮石斛（Dendrobium devonianum）是兰科植物的一种，其独特的花部特征引人注目，包括唇瓣上的两个黄色斑点、紫色顶端以及边缘的流苏状结构。然而，紫皮石斛花型形成的分子机制尚不明确，这阻碍了其育种进程的推进。

2. 本研究首次绘制了紫皮石斛的染色体级基因组图谱，揭示了两次重要的多倍化事件。此外，还构建了高分辨率的单细胞转录组图谱，捕获到11个不同的细胞簇。通过时空bulk-RNA测序，鉴定出MADS-box基因的表达模式，发现其与花形成的ABCDE模型相符。

3. 同时，质谱成像和单细胞RNA分析表明，黄色斑点的形成主要与类胡萝卜素生物合成基因的表达相关，而紫色则主要与花青素生物合成基因的表达有关，这些基因主要在表皮细胞和维管细胞中表达。对表皮细胞的发育轨迹分析进一步揭示了一个基因调控网络以及几个可能负责唇瓣边缘流苏状结构形成的转录因子。

4. 本研究为理解紫皮石斛花色分化和结构特征的分子机制提供了宝贵见解，有助于深入认识兰花的进化、多样化及育种。

图6 花细胞群的单细胞转录组聚类注释

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参考文献：

[1] Arbore R, Barbosa S, Brejcha J, et al. A molecular mechanism for bright color variation in parrots[J]. Science, 2024,386(6721):p7710.

[2] Gavriouchkina D, Tan Y, Parey E, et al. A single-cell atlas of the bobtail squid visual and nervous system highlights molecular principles of convergent evolution[J]. Nat Ecol Evol, 2025,9(7):1245-1262.

[3] Li Y, Hu M, Zhang Z, et al. Origin and stepwise evolution of vertebrate lungs[J]. Nat Ecol Evol, 2025,9(4):672-691.

[4] Dong Z, Wang F, Liu Y, et al. Genomic and single-cell analyses reveal genetic signatures of swimming pattern and diapause strategy in jellyfish[J]. Nat Commun, 2024,15(1):5936.

[5] Chen L, Jia Y, Zhou Z, et al. Genomic and Cis-Regulatory Basis of a Plastic C(3)-C(4) Photosynthesis in Eleocharis Baldwinii[J]. Adv Sci (Weinh), 2025:e15681.

[6] Wang J, Zhou Y, Zhang M, et al. Resolving floral development dynamics using genome and single-cell temporal transcriptome of Dendrobium devonianum[J]. Plant Biotechnol J, 2025.