Single-cell network analysis reveals gene expression programs for Arabidopsis root development and metabolism

拟南芥 基因 基因表达 生物 词根(语言学) 计算生物学 表达式(计算机科学) 拟南芥 细胞 遗传学 细胞生物学 计算机科学 语言学 哲学 突变体 程序设计语言
作者
Ershang Han,Zhenxing Geng,Yue Qin,Yuewei Wang,Shisong Ma
出处
期刊:Plant communications [Elsevier BV]
卷期号:5 (8): 100978-100978
标识
DOI:10.1016/j.xplc.2024.100978
摘要

Single-cell RNA-sequencing datasets of Arabidopsis roots have been generated, but related comprehensive gene co-expression network analyses are lacking. We conducted a single-cell gene co-expression network analysis with publicly available scRNA-seq datasets of Arabidopsis roots using a SingleCellGGM algorithm. The analysis identified 149 gene co-expression modules, which we considered to be gene expression programs (GEPs). By examining their spatiotemporal expression, we identified GEPs specifically expressed in major root cell types along their developmental trajectories. These GEPs define gene programs regulating root cell development at different stages and are enriched with relevant developmental regulators. As examples, a GEP specific for the quiescent center (QC) contains 20 genes regulating QC and stem cell niche homeostasis, and four GEPs are expressed in sieve elements (SEs) from early to late developmental stages, with the early-stage GEP containing 17 known SE developmental regulators. We also identified GEPs for metabolic pathways with cell-type-specific expression, suggesting the existence of cell-type-specific metabolism in roots. Using the GEPs, we discovered and verified a columella-specific gene, NRL27, as a regulator of the auxin-related root gravitropism response. Our analysis thus systematically reveals GEPs that regulate Arabidopsis root development and metabolism and provides ample resources for root biology studies.

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