Understanding how organisms develop and function requires decoding the complex interactions between cellular heterogeneity and gene expression. In multicellular organisms, specialized cell types differentiate from a single origin, responding to genetic regulatory programs and environmental cues to form tissues and organs. In contrast, unicellular organisms exhibit striking functional diversity at the single-cell level and can adapt to dynamic environments through regulated gene expression programs. Recent advances in spatially resolved transcriptomics, particularly in the Spatial Transcriptomics (ST) technology, have provided critical insights into these processes, characterizing gene expression patterns and regulatory networks in unicellular and multicellular systems.

This thesis leverages the ST technology to introduce methodological advancements for studying gene expression patterns across kingdoms, especially in plant development, microbial diversity, and host-microbe interactions.

In Article A, we presented an automated approach for ST library preparation, improving the efficiency and reproducibility of spatial gene expression profiling. It improved ST’s scalability and robustness for large-scale studies, facilitating the analysis of spatial organization in tissue sections.

For Article B, we generated a comprehensive spatiotemporal gene expression atlas for Picea abies shoot primordia, combining morphological and gene expression analysis. Through the atlas, we revealed gene expression patterns for previously unknown genes and provided initial annotations for several key developmental genes, while previously, annotations were based mainly on data from other species. Overall, this study advances our understanding of the molecular mechanisms that govern the reproductive development of conifers.

In Article C, we introduced a multimodal ST approach that simultaneously captures the host transcriptome and microbial abundance. Applying this method to Arabidopsis thaliana leaves, we identified distinct microbial hotspots and examined their spatial interactions with the host, providing insights into the complex dynamics of the host-microbiome relationships.

We applied the ST technology to various plankton species in Article D and generated parallel imaging and transcriptomic data. The findings offer new perspectives on these microorganisms’ cellular diversity and ecological roles and highlight the potential of array-based approaches in the study of microbial communities.

In conclusion, these studies advance the spatially resolved transcriptomics field and answer questions related to gene regulation in unicellular and multicellular organisms. As such, they expand our knowledge of orchestrated gene expression patterns that underlie life at diverse biological levels. They also provide a resource for applying sustainable development goals to improve crop resilience, forestry, and disease risk.

Hur organismer utvecklas och fungerar beror på komplexa interaktioner mellan cellulär heterogenitet och genuttryck. Hos flercelliga organismer så differentieras specialiserade celltyper från en gemensam ursprungscell. Genom att svara på genetiska regleringsprogram och signaler från den omgivande miljön så bildar dessa celler vävnader och organ. Samtidigt uppvisar encelliga organismer en anmärkningsvärd funktionell mångfald, då enskilda celler kan anpassa sig till dynamiska miljöer genom reglerade genuttrycksprogram. Nya framsteg inom spatialt upplöst transkriptomik, i synnerhet Spatial Transcriptomics (ST)-teknologin, har lett till avgörande insikter i dessa processer genom att kartlägga genuttrycksmönster och regulatoriska nätverk i både encelliga och flercelliga system.

I denna avhandling används ST-teknologin för att introducera metodologiska framsteg för studier av genuttrycksmönster i olika biologiska riken, med särskilt fokus på utvecklingsbiologi hos växter, mikrobiell mångfald och värd-mikrobinteraktioner.

I Artikel A presenterar vi en automatiserad metod för beredning av ST-bibliotek, vilket förbättrar effektiviteten och reproducerbarheten i kartläggningen av spatialt genuttryck. Det ökar skalbarhet och robusthet för storskaliga studier med ST och underlättar analysen av vävnadsorganisation i snittprover.

För Artikel B skapade vi en omfattande spatiotemporal genuttrycksatlas för primordier av skott hos Picea abies där analys av morfologi och genuttryck kombinerats. Genom atlaskartläggningen avslöjade vi genuttrycksmönster för tidigare okända gener och tillhandahöll initiala annoteringar för flera viktiga utvecklingsgener, där tidigare annoteringar huvudsakligen baserades på data från andra arter. Sammanfattningsvis förbättrar denna studie vår förståelse av de molekylära mekanismer som styr barrträds reproduktiva utveckling. 

I Artikel C introducerade vi en multimodal ST-metod som fångar både värdorganismens transkriptom och den omgivande mikrobiella abundansen samtidigt. Genom att applicera denna metod på blad från Arabidopsis thaliana identifierade vi distinkta mikrobiella hotspots och undersökte deras rumsliga interaktioner med värden. Detta gav insikter i den komplexa dynamik som utgör värdmikrobiomrelationer. 

Vi tillämpade ST-teknologi på olika planktonarter i Artikel D, där vi parallelt producerade bild- och transkriptomikdata. Resultaten ger nya perspektiv på dessa mikroorganismers cellulära mångfald och ekologiska roller, och belyser potentialen hos array-baserade metoder för studier av mikrobiella samhällen. 

Sammanfattningsvis bidrar dessa studier till framsteg inom spatialt upplöst transkriptomik och besvarar frågor om genreglering i både encelliga och flercelliga organismer. De utökar därmed vår förståelse av de koordinerade genuttrycksmönster som ligger till grund för livet. Slutligen utgör de också en resurs för att tillämpa hållbarhetsmål för att förbättra jordbrukets resiliens, skogsbruk och sjukdomsrisker.

Eliöiden kehittymisen ja toiminnan ymmärtäminen edellyttää solujen heterogeenisyyden ja geeniekspression välisen monimutkaisen vuorovaikutuksen tulkintaa. Monisoluisissa eliöissä erikoistuneet solutyypit erilaistuvat yhdestä solusta ja reagoivat geneettisiin säätelyverkostoihin ja ympäristöstä tuleviin signaaleihin muodostaen solukoita ja erilaisia rakenteita. Sen sijaan yksisoluiset eliöt ovat valtavan laaja ja monimuotoinen eliöryhmä, joka pystyy sopeutumaan muuttuviin ympäristöihin geneettisten säätelyverkostojen avulla. Viimeaikainen kehitys spatiaalisessa transkriptomiikassa (ST) on paljastanut tärkeää tietoa näistä prosesseista, tunnistaen geeniekspressiomalleja ja säätelyverkostoja yksisoluisista ja monisoluisista eliöistä. 

Tämä väitöskirja hyödyntää ST-teknologiaa ja esittelee uusia menetelmiä geeniekspression tutkimukseen eri eliökunnissa. Väitöskirja keskittyy erityisesti kasvien kehitysbiologiaan, mikrobien monimuotoisuuteen sekä isäntäeliön ja mikrobien välisiin vuorovaikutussuhteisiin.

Artikkelissa A esittelemme automatisoidun menetelmän sekvensointikirjastojen valmistamiseen ST-teknologialla. Menetelmä parantaa ST-teknologian tehokkuutta, toistettavuutta, skaalautuvuutta ja tarkkuutta erityisesti isoihin tutkimushankkeisiin, jotka ovat tärkeitä solukkorakenteiden geeniekspressiokuvioiden ja spatiaalisten säätelyverkkojen ymmärtämiseen. 

Artikkelissa B tuotimme laajan spatiotemporaalisen geeniekspressiokartaston kuusen (Picea abies) kasvusilmujen alkioille. Me yhdistimme morfologisen ja geeniekspressioanalyysin uusien kehitysbiologisesti merkittävien geenien ja niiden säätelyverkostojen tunnistamiseen. Kartaston avulla tunnistimme aiemmin tuntemattomia geenejä ja niiden geeniekspressiokuviot toimivat ensimmäisinä annotaatioina, kun aiemmin tällainen tieto on perustunut toisiin lajeihin. Tämä tutkimus edistää ymmärrystämme havupuiden lisääntymisbiologiasta ja sitä ohjaavista molekyylimenetelmistä.

Artikkelissa C esittelimme multimodaalisen lähestymistavan spatiaalisen geeniekspression tutkimukseen. Menetelmän avulla pystyimme samanaikaisesti tutkimaan isäntäeliön transkriptomia ja mikrobien määrää ja monimuotoisuutta solukkoleikkeissä. Sovelsimme menetelmää lituruohon (Arabidopsis thaliana) lehdistä tehtyihin ohuisiin leikkeisiin, ja havaitsimme mikrobipesäkkeitä ja tutkimme miten ne vaikuttavat isäntäkasvin paikalliseen geeniekspressioon. Tutkimus havainnollistaa isäntäkasvin ja mikrobiomin välisiä monimutkaisia vuorovaikutuksia.

Artikkelissa D sovelsimme ST-teknologiaa erilaisiin planktonlajeihin menetelmällä, joka mahdollisti näiden lajien samanaikaisen kuvaamisen ja transkriptomin tutkimisen. Tulokset perusteella saimme uutta tietoa näiden mikro-organismien monimuotoisuudesta ja ekologisista rooleista. Tulokset myös korostavat sirutekniikkaan perustuvien menetelmien mahdollisuuksia mikrobiyhteisöjen tutkimuksessa.

Tähän väitöskirjaan sisältyvät tutkimukset edistävät spatiaalisen transkriptomiikan alaa ja vastaavat yksi- ja monisoluisten eliöiden geenien säätelyyn liittyviin kysymyksiin. Nämä tutkimukset laajentavat tietämystä geeniekspression säätelymekanismeista, jotka ovat kaiken biologisen elämän taustalla. Ne toimivat myös resursseina muille tutkijoille, jotka voivat käyttää tuloksia kestävän kehityksen tavoitteiden saavuttamiseksi, kuten viljelykasvien sietokyvyn, metsätalouden tehokkuuden ja tautiriskin parantamiseksi.