在过去的十年中，高通量单细胞转录组测序技术（scRNA-seq）得到了快速发展和广泛应用，这项技术帮助我们更好地理解多细胞生物的细胞异质性、干细胞分化轨迹，以及在单细胞精度下解析生命体对内外环境扰动的反应。然而，单细胞制备难一直是该技术在植物与农学领域中应用的一个重要瓶颈。

首先，植物细胞具有细胞壁（主要由纤维素、多糖、蛋白质及木质素组成），想要释放单个植物细胞（即原生质体）就必须对植物的组织和器官进行细胞壁酶解，然而在室温条件下植物细胞壁的酶解效率普遍较低，在一些植物中，次生细胞壁的增厚以及特化的细胞壁成分使得它们的原生质体制备显得愈发困难。其次，大多数植物（特别是农作物）都是在户外种植的。scRNA-seq需要迅速对植物组织和器官进行酶解消化，但大多数农场和田间场所缺乏相关的分子生物学实验室设施。因此，目前的作物单细胞转录组图谱基本上都是基于来自温室环境下生长的材料。

第三，植物对环境变化的反应是快速且敏感的。现有的原生质体制备方法通常需要1到2小时的酶解消化，然而在此期间，细胞的转录组可能会发生剧烈改变。最后，虽然单细胞核转录组测序（snRNA-seq）为解决上述三个问题提供了一种替代方法，但其生成的数据质量（即每个细胞/细胞核中捕获到的基因数量）通常低于scRNA-seq。此外，细胞核内的mRNA可能无法完全代表细胞转录组，特别是那些被翻译成蛋白质的mRNA，在snRNA-seq数据中可能会有所缺失。

2025年11月27日，国际学术期刊Nature Methods在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心、植物高效碳汇重点实验室（中国科学院）王佳伟研究组题为“FX-Cell: a method for single-cell RNA sequencing on difficult-to-digest and cryopreserved plant samples”的研究论文。该论文通过底层技术创新，开发了全新的植物单细胞制备新方法FX-Cell，该方法有效提升了单细胞制备效率，实现了难以酶解植物组织、农田及冻存样品的scRNA-seq，为加速植物细胞单细胞图谱绘制提供了重要的技术支撑。

王佳伟研究组与美国斯坦福大学Virginia Walbot实验室首先对现有的原生质体制备方法进行了改进。他们发现，提高酶解温度可以有效提高酶解效率。为了避免高温酶解过程中带来的转录组变化，他们开发了组织固定方法：在酶解前，将新鲜的植物样品在Farmer 溶液（乙醇:冰醋酸 = 3:1）中进行固定。为了避免高温酶解时细胞中mRNA的降解，研究团队进一步利用基于GMP Sepharose/Agarose柱的亲和纯化方法，对细胞壁酶解液中的RNase进行了去除。此外，王佳伟研究组还发现，在原生质体制备过程中添加tRNA和tri-GMP（2'-GMP, 3'-GMP, and 5'-GMP混合物）等RNase抑制剂可以有效保护mRNA，提高其稳定性，从而提高单个细胞的基因捕获数量。他们将这一基于高温酶解的scRNA-seq方法命名为FX-Cell（图1a）。

在水稻和拟南芥根尖中的测试表明，FX-Cell具有可重复性高（不需要Harmony整合）、单个细胞基因捕获数量与常规scRNA-seq持平且显著优于snRNA-seq的优点。尤为重要的是，由于植物组织在酶解前就已固定，因此在所获的单细胞图谱中，原生质体化所带来的转录组改变被基本消除。

在上述工作的基础上，王佳伟研究组又意外地发现植物样品其实具有良好的耐受性，并创新性地开发了两个FX-Cell衍生技术，即FXcryo-Cell和cryoFX-Cell（图1b,c）。其中，FXcryo-Cell是将固定好的样品储存在-80°C后再进行高温酶解，而cryoFX-Cell则是将样品冻于液氮或储存在-80°C后，再进行固定和高温酶解。以水稻根尖为例，FXcryo-Cell与cryoFX-Cell所获得的单细胞图谱质量与FX-Cell相当（图2a,b）。

王佳伟研究组接下来通过4个实例证明了FXcryo-Cell与cryoFX-Cell技术具有广阔的应用前景，可以高质量地完成难以酶解组织（野生稻地下茎节、栽培稻基部节）、农田样品（农场种植玉米的气生根）和扰动样品（拟南芥叶片机械损伤处理）的scRNA-seq（图2c,d）。值得一提的是，cryoFX-Cell技术还被成功运用在水稻和石松茎尖图谱的绘制工作中（Xue et al., Cell, 2025）。未来，这项技术与不依赖于基因组的的单细胞转录组数据分析流程（Xue et al., Cell, 2025）相结合，可以大大扩展适合进行单细胞转录组测序的目标植物范围。

综上，FX-Cell及其衍生技术的诞生将加速植物细胞图谱的绘制工作，为最终建立植物泛细胞图谱（Plant Cell Atlas）奠定了坚实的基础。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心明新博士、上海科技大学博士研究生万木春为论文的共同第一作者，美国密苏里大学Blaine Marchant副教授、美国佐治亚大学Brad Nelms副教授、美国斯坦福大学Virginia Walbot教授、王佳伟研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到了“农业生物育种”重大项目、新基石研究员项目、国家自然科学基金委基础科学中心项目、中国科学院B类先导项目以及腾讯科学探索奖的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41592-025-02900-2

图1. FX-Cell及其衍生技术流程。植物样品在Farmer 溶液（乙醇:冰醋酸 = 3:1）中进行固定。样品的固定可以在冻存前后进行。高温酶解可以有效提升酶解的效率。

图2. FX-Cell及其衍生技术的应用。a, 运用FX-Cell及其衍生技术绘制水稻根尖单细胞图谱。从图中可以看出，三种方法得出的细胞图谱基本一致。b，水稻根尖单细胞图谱的注释结果（不同的细胞类型用虚线圈出）。c, 运用FXcryo-Cell和cryoFX-Cell技术绘制难以酶解组织（栽培稻基部节、野生稻地下茎节）和农田样品（农场种植玉米的气生根）的单细胞图谱。d, 运用FXcryo-Cell技术绘制拟南芥叶片机械损伤单细胞图谱。虚线圈指示受机械损伤诱导的叶片细胞。需要注意的是，在基于常规原生质体制备方法的未损伤叶片单细胞图谱（最右侧）中，其实存在损伤响应细胞。