南科大郭红卫团队与合作者成功绘制水稻全生命周期3D单细胞时空图谱

近日，南方科技大学生命科学学院郭红卫讲席教授团队与合作者在顶级期刊 Cell 发表题为“A spatiotemporal lifecycle atlas decodes spatial coordination in rice”的研究论文，构建了覆盖水稻“种子到种子”全生命周期的3D单细胞时空图谱，为理解水稻发育中细胞类型、空间结构与调控网络的协同关系提供了重要框架。

一粒水稻种子从萌发、扎根、展叶、分蘖，再到抽穗、开花、受精，最终形成新一代种子，这一过程看似平常，实则是一套时空高度编排的发育程序。作为重要的粮食作物之一，水稻如何在全生育期尺度上统筹细胞类型、器官协同与基因调控网络，仍存在不少研究空白。

研究团队依托华大时空组学技术 Stereo-seq，结合单核RNA测序（snRNA-seq）及AI驱动的发育轨迹分析和水稻单细胞基础模型 RICE scGPT，构建了覆盖水稻“种子到种子”全生命周期的3D时空细胞图谱，进而从单细胞和空间维度阐明了水稻发育过程中细胞命运、组织发育与基因调控的动态耦合机制。

研究团队选取粳稻中花11作为研究对象，运用 Stereo-seq 对43个关键发育阶段的新鲜组织进行空间转录组测绘，并结合覆盖胚、根、分蘖、叶、花序、小穗、雄蕊、雌蕊、受精组织和种子等10类重要器官/组织、47个发育阶段的单核RNA测序数据，基于空间位置、组织解剖学特征、标志基因表达和单核数据联合分析，注释出119种细胞类型和133个细胞亚型，大幅拓展了对水稻细胞多样性的认知。该图谱不仅可明确不同细胞在组织中的空间分布，还能呈现细胞状态随发育进程发生的动态变化，为理解植物个体如何从单个受精卵发育为完整植株提供了系统性资源。

基于水稻全生命周期时空图谱，研究团队进一步重建了自原胚至成熟器官的推断发育轨迹，并绘制了水稻发育过程的全局调控景观。此外，研究团队还发现水稻多种器官普遍存在轴向不对称的基因表达格局。在发育的胚乳中，团队首次捕捉到背腹轴基因转录不对称的潜在证据。改变此类不对称表达基因，可重塑淀粉与蛋白在背腹区域的积累模式。这一结果不仅为解析水稻种子发育、籽粒灌浆、营养物质空间分配及品质形成提供了新的研究切入点，也表明未来可从空间分区调控入手，探索作物品质改良的新路径。

为促进数据开放共享与领域协作，研究团队搭建了 Rice Spatio Temporal Atlas 交互式在线平台（https://db.genomics.cn/stomics/rice/），并研发出水稻单细胞基础模型 RICE scGPT。该模型以本研究数据与公开水稻单细胞数据为训练基础，可辅助鉴定缺乏明确标志基因的细胞类型，并支持不同来源数据集的快速整合，从而提升水稻单细胞研究的可比性与可复用性。