中国科研团队成功绘制水稻全生命周期时空细胞图谱

10月7日，海南日报全媒体记者从在三亚召开的崖州湾“揭榜挂帅”联合攻关成果新闻发布会暨水稻时空组学学术研讨会上获悉，中国科研团队成功绘制出水稻全生命周期时空细胞图谱，首次在个体尺度上系统揭示水稻从种子萌发到开花结实全过程中数万个基因“在何处、何时”参与调控生长发育，为理解水稻生长发育、探索籽粒品质改良提供了新的研究资源。相关研究成果10月6日在国际学术期刊《细胞》在线发表。

水稻全生命周期细胞类型与空间单细胞图谱

该研究由崖州湾国家实验室联合华大生命科学研究院（以下简称华大基因）、华中农业大学、南方科技大学、武汉大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所等12家科研机构协同完成。团队以粳稻品种中花11为材料，整合时空组学技术Stereo-seq、单细胞建库平台、高通量基因测序仪和人工智能分析，构建了覆盖10类器官或组织、61个发育阶段的时空细胞图谱。其中，空间转录组测绘覆盖43个关键发育阶段，单核RNA测序覆盖47个发育阶段；注释出119种细胞类型和133个细胞亚型。这些数据将细胞的分子特征与组织中的空间位置相互对应，并呈现不同发育阶段的变化。

一粒种子，是怎么在泥土里发芽、抽穗，最后长成香喷喷的米饭的？在这个过程中，水稻内部成千上万的细胞，就像一个极其庞大且精密的超级工厂。谁负责长根？谁负责结粒？它们需要在正确的时间、正确的位置干对活儿。过去，科学家很难看清这个工厂内部的详细运作；但现在，该盲区被打破了。这张图谱犹如一份带有时间和空间位置的生命信息地图，既呈现不同细胞类型在组织中的分布，也反映功能基因表达随发育阶段的变化，帮助研究者将分子层面信息与水稻宏观生长过程联系起来，了解不同细胞是怎么相互打配合，进而更精准地指导农艺性状的改良与定向育种。

水稻的胚乳是人们吃的大米的主要部分，它决定了米饭的口感和营养。本次研究的一项重要发现发生在胚乳内部。科研团队发现，发育中的胚乳存在精细的“空间分工”，背侧周缘胚乳区域更富集淀粉合成等相关基因，腹侧周缘胚乳区域则更偏向储藏蛋白合成相关基因。进一步研究表明，相关基因突变可改变淀粉和蛋白在背腹区域的积累格局，为籽粒营养分配和品质形成研究提供了新依据；同一个关键调控因子（如OsARF1），在不同的细胞空间环境里，发挥的功能也不尽相同。这些发现将籽粒营养分配的问题细化到了具体空间区域，这意味着未来科学家想要培育更好吃、或是更有营养的水稻，不再只是参考整粒种子的平均数据，而是可以拿着这张地图，探索更有针对性的空间分区调控策略，实现“指哪打哪”。

水稻胚乳背腹轴转录不对称与营养物质空间分配

为推动成果转化为可持续使用的公共资源，研究团队建立了交互式在线图谱平台，支持基因查询、空间表达展示和比较分析，研究者能够围绕自己关注的基因，查看其在不同组织和发育阶段中的表达情况，从中寻找进一步验证的方向；并开发了水稻单细胞基础模型RICE scGPT，可辅助细胞类型注释和不同来源数据整合，提高数据可比性与复用性。

水稻单细胞基础模型RICE scGPT与交互式在线平台

科研团队有关负责人表示，有了这些分析入口，育种专家们如虎添翼。以前想要改良水稻的某个特点，可能会因为直接改变全局基因而影响多个性状；现在借助图谱和模型，专家们有望进行定向优化，大大减少“顾此失彼”的不利连锁反应。当然，要将这些理论应用到最终的农业生产中，还需要结合基因功能、种质材料和田间表现进一步验证。结合高质量的T2T基因组，与覆盖全生命周期的时空及单细胞数据，这项研究实现了多维度生命信息的全链条贯通，为植物发育研究开辟了全新范式，也为更多作物的性状研究提供了重要的方法借鉴。开放资源的意义，正在于让不同团队能够在同一基础上提出新问题，持续发掘数据中的价值。

据悉，这项成果背后是一场跨越26年的科研接力。早在2000年，袁隆平院士就与华大基因等签署合作协议，拉开华大水稻基因组研究序幕，水稻籼稻基因组工作框架图于2002年发表在《科学》杂志。此后，华大基因联合中国农业科学院、国际水稻研究所等开展“3000份水稻基因组计划”，通过大规模重测序，将对水稻的研究从参考基因组进一步拓展至群体遗传多样性。如今，研究的观察尺度进一步延伸至细胞、空间位置和发育过程，为从更精细的时空维度理解水稻全生命周期提供了新的视角。此次研究所依托的“水稻单细胞时空组学研究”项目，是海南省种业实验室与三亚华大生命科学研究院联合“揭榜挂帅”项目之一，该项目把植物发育研究与多组学技术、数据分析相结合，为全生命周期尺度的联合研究提供了组织基础。

来源：海南日报客户端

记者：黄媛艳

责编：甘晨卉

二审：招志云

三审：李国栋

总值班：陈成智

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