中国科研团队成功绘制水稻全生命周期时空细胞图谱

中新网三亚10月7日电 (张月和)记者从7日在三亚举行的南繁硅谷第一张生命底图——崖州湾“揭榜挂帅”联合攻关成果新闻发布会上了解到，来自崖州湾国家实验室、华大生命科学研究院等机构的12个科研团队分工协作，首次构建了覆盖水稻从种子萌发到开花结实全过程的三维时空细胞图谱，整合了基因组、细胞发育阶段与空间转录组信息，为在个体尺度上理解植物发育提供了重要基础。

相关成果6日晚在国际学术期刊《细胞》(Cell)在线发表。崖州湾国家实验室副主任、首席科学家陈凡说，水稻的生长发育涉及不同类型细胞的协同作用。过去，研究人员可以分析某个基因的功能，或观察某一组织、某一发育阶段的变化，但在完整生命周期中，数万个基因在何处、何时参与调控生长发育，业界仍缺少系统性认识。

此次研究以粳稻品种中花11为材料，整合了华大生命科学研究院自主研发的时空组学技术Stereo-seq、单细胞建库平台DNBelab C4、高通量基因测序仪T7和人工智能分析，建立了覆盖10类器官或组织、61个发育阶段的图谱。研究团队获取了超85万个高质量细胞核的数据，以及超过34万个空间数据单元，注释出119种细胞类型和133个细胞亚型。

“这张图谱可以理解为一份带有时间和空间位置的生命信息地图。”陈凡说，它既呈现了不同细胞类型在组织中的分布，也反映了功能基因表达随发育阶段发生的变化，帮助研究者将分子层面的信息与水稻宏观的生长过程联系起来。

研究的一项重要发现发生在胚乳内部。胚乳是籽粒储藏营养物质的重要组织。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。

团队进一步研究表明，相关基因的突变可以改变淀粉和蛋白在背腹区域的积累格局。

这一发现使籽粒营养分配和品质形成的研究，进一步深入到了胚乳的不同空间区域，为探索更精细的品质调控策略提供了科学依据。

此外，团队研究发现，关键调控因子OsARF1能够在不同空间和不同发育时期转录表达，从而参与胚乳营养分配等不同的分子调控网络。这为解释“一基因影响多性状”的现象提供了全新的视角，在育种研究中，直接改变一个影响广泛的调控因子，可能同时牵动多个性状；识别更具体的下游调控模块，有望为定向改良提供研究方向。

为了让这项成果转化为可持续使用的公共资源，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，并开发了水稻单细胞基础模型RICE scGPT。该模型相当于为农业科研界打造了一个懂水稻细胞的“AI大模型”，利用本研究及公开的水稻单细胞数据训练，可辅助细胞类型注释和不同来源数据集的整合，提高了数据的可比性与复用性。

陈凡表示，水稻全生命周期时空细胞图谱及相关数据库、模型的发布，为研究者独立挖掘基因功能提供了一条全新思路。研究者可以查看关注的基因在不同组织和发育阶段中的表达情况，再结合实验开展功能验证。这不仅为全球学者提供了宝贵的公共资源，也开拓了植物全生命周期研究的新路径。

据悉，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华大生命科学研究院联合“揭榜挂帅”项目之一。科企联合“揭榜挂帅”协同攻关模式，是海南于2022年推出的以企业为主导、市场应用为导向的种业发展创新机制，旨在通过科研机构与企业合作，针对市场所需的种业“卡脖子”关键技术难题开展攻关，加快科研成果快速转化。