秀麗隱杆線蟲擁有單細胞級別的發育精度，即每個細胞的分裂時間、分裂方向、運動路徑、命運身份等資訊在不同個體間高度準確，因此成為發育生物學界最為廣泛使用的模式生物之一。1983年，Sulston J. E.等人透過繁重的人眼識別追蹤，繪製出秀麗隱杆線蟲發育的細胞譜系；2006年，Waterston R. H.等人開發了一套持續標記、自動追蹤全胚胎細胞核的實驗方法。然而，細胞核只是細胞體內的一個點，無法準確提供複雜的三維形態資訊；而由於細胞膜在空間中呈區域狀連續分佈，難以識別，因此長期以來定量的標準形態圖譜並未成功建立。

近日，北京大學湯超實驗室、香港浸會大學趙中應實驗室、香港城市大學嚴洪實驗室在Nature Communications線上發表文章Establishment of a morphological atlas of the Caenorhabditis elegans embryo using deep-learning-based 4D segmentation，首次定量、系統地構建了秀麗隱杆線蟲早期胚胎髮育的標準形態學圖譜（圖1）。

圖1. 示意圖

研究團隊首先改良了一個能夠持續熒游標記細胞膜的線蟲品系，利用共聚焦顯微鏡拍攝了17個胚胎在4到350細胞期的發育過程；再利用深度學習網路對細胞膜熒光照片進行自動分割，結合已有的細胞核追蹤工具識別每一個細胞對應的空間區域（圖2）；分割後的胚胎經過時間、空間規範化後組成一個標準化的形態圖譜；隨後，團隊針對細胞的體積、表面積、接觸關係、形狀不規則度、訊號轉導網路等問題進行了系統性探究（圖3）。本工作構建的線蟲胚胎標準形態圖譜將為發育生物學、細胞生物學、生物力學等多個領域提供資料支援。

圖2. 實驗拍攝與演算法流程

圖3. 標準形態圖譜與各項發育引數

北京大學定量生物學中心/生命科學聯合中心/物理學院湯超教授、香港浸會大學生物系/環境與生物分析國家重點實驗室趙中應教授、香港城市大學電子工程系嚴洪教授為文章的共同通訊作者；香港城市大學博士生曹劍鋒、北京大學博士生關國業、香港浸會大學博士Vincy Wing Sze Ho為文章的共同第一作者；香港浸會大學的Ming-Kin Wong、Lu-Yan Chan提供了實驗技術支援。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19863-x