登上《细胞》！中国科研团队成功绘制水稻全生命周期时空细胞图谱

　　

近日，来自崖州湾国家实验室、华大生命科学研究院、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机构的12个科研团队，分工协作完成的水稻研究成果，在国际学术期刊《细胞》（Cell）在线发表。研究团队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。

图1  水稻全生命周期时空细胞图谱研究总览

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：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。

图2  水稻全生命周期细胞类型与空间单细胞图谱

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。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。

图3  水稻胚乳背腹轴转录不对称与营养物质空间分配

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。

图4  OsARF1在不同细胞空间环境中的功能分工

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。

图5  水稻单细胞基础模型RICE scGPT与交互式在线平台

这项成果的背后，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等签署合作协议，拉开了华大水稻基因组研究的序幕，水稻籼稻基因组工作框架图于2002年发表在《科学》（Science）杂志。如今，研究的观察尺度从遗传序列进一步延伸至细胞、空间位置和发育过程。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。

这项成果是探索有组织科研的成功实践。以科学目标为导向，国家实验室为引领，组织海内外12家优势单位和团队协同攻关，推动重大科研突破，支撑相关科学领域发展。

科企联合“揭榜挂帅”协同攻关模式。崖州湾国家实验室顶层设计，联合华大生命科学研究院自主研发时空组学技术，与领域优势科研单位协同攻关，在多维组学、数据分析、生物学机制解析等方面形成突破。

大数据支撑科研范式变革。随着人工智能技术和大数据技术的发展，水稻全生命周期时空细胞图谱为全球生命科学研究者开展科学发现提供了一条全新思路，开拓了植物发育生物学研究领域全新研究范式。