日前，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12个科研团队合作，在国际学术期刊《细胞》（Cell）在线发表研究论文。
据悉，该研究首次构建了覆盖水稻从种子萌发、营养生长、生殖发育到开花结实全生命周期的三维时空细胞图谱，系统整合单细胞转录组、空间转录组和遗传学功能验证等多维信息，从细胞类型、发育时间和组织空间等多个维度解析水稻全生命周期的发育规律。研究为从全生命周期尺度认识水稻生长发育的时空协调规律提供了新的研究框架，也为重要农艺性状形成机制解析和关键功能基因挖掘提供了重要资源。
水稻全生命周期时空细胞图谱研究总览。华中农业大学供图
“时空生命地图”
水稻从一粒种子萌发，经历营养生长、生殖生长、开花受精，最终形成新的种子，是一个由大量不同类型细胞在时间和空间上精密协调的复杂过程。过去，人们可以研究某个基因的功能，也可以观察某一器官或某一发育阶段的变化，但要系统回答数万个基因在水稻整个生命周期中“什么时候表达”“在哪些细胞表达”“在组织中的什么位置发挥作用”，仍缺少贯穿整个生命周期的研究框架。
该研究综合应用Stereo-seq空间转录组、单核转录组测序以及人工智能分析等技术，系统采集水稻多个器官和关键发育时期的数据，建立了覆盖10类器官或组织、61个发育阶段样本的水稻全生命周期图谱，并解析出119种细胞类型和133个细胞亚型。
这相当于为水稻建立了一张同时具有时间坐标和空间坐标的生命信息地图。研究人员不仅能够知道某个基因是否表达，还可以进一步了解其在什么时期、什么组织、什么细胞以及什么空间位置中发挥作用。
精细的“空间分工”
研究中的一个重要发现来自水稻胚乳。胚乳是稻米储藏营养物质的重要组织。长期以来，人们往往把它作为一个相对均一的整体来认识。
华中农业大学欧阳亦聃教授团队研究发现，即使在同一个胚乳内部，不同空间区域也存在明显的功能分工：背侧周缘区域更加偏向淀粉相关基因的表达，腹侧周缘区域则更偏向储藏蛋白相关基因。进一步的遗传学研究表明，相关基因发生变化后，淀粉和蛋白质原有的空间分配格局也会随之改变。
这意味着，决定一粒稻米品质的，不仅是淀粉和蛋白质的含量，还包括这些物质在什么位置形成，又如何在籽粒内部进行分配。
进入时空组学时代
研究还发现，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。也提示未来可以进一步寻找更加具体的组织和时期特异性调控模块，为作物精准改良提供新的思路。
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，可供查询基因在不同组织和发育阶段中的表达，并进行空间展示和比较分析。同时，团队还开发了水稻单细胞基础模型RICE scGPT，用于辅助细胞类型注释和不同来源数据的整合。
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，提高数据的可比性与复用性。
相关负责人介绍，未来，进一步解析完整籽粒不同组织、细胞和空间区域的功能分工，有望为兼顾产量、食味、营养和健康价值的全谷稻米品质改良提供新的理论基础和基因资源。
相关论文链接：
https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(26)01125-6
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