7月9日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所聯(lián)合華大基因、加州大學(xué)河濱分校、海德堡大學(xué)、魯汶大學(xué)等國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)在Nature發(fā)表了題為A single-cell multi-omics atlas of rice的研究論文。該研究在單細(xì)胞水平同時(shí)捕獲水稻多個(gè)重要器官的RNA表達(dá)與染色質(zhì)可及性狀態(tài)，構(gòu)建了首個(gè)水稻多器官單細(xì)胞多組學(xué)圖譜，解析了細(xì)胞類型的功能及對(duì)復(fù)雜性狀調(diào)控作用，預(yù)測(cè)并挖掘出細(xì)胞類型特異的調(diào)控水稻性狀的基因，為水稻設(shè)計(jì)育種提供了細(xì)胞水平特異候選靶點(diǎn)。

水稻是全球最重要的糧食作物，其根、莖、葉、種子等器官有不同的功能的細(xì)胞類型構(gòu)成，這些細(xì)胞類型對(duì)水稻發(fā)育、品質(zhì)與功抗性等有獨(dú)特的作用。這些細(xì)胞類型的鑒定及其功能目前基本是未知的。

研究團(tuán)隊(duì)利用單細(xì)胞多組學(xué)（Multiome）技術(shù)，在水稻中單細(xì)胞水平上同步對(duì)基因表達(dá)（RNA）與染色質(zhì)(ATAC)進(jìn)行了測(cè)序，在水稻8個(gè)主要器官（根、莖、幼葉、旗葉、莖尖、分蘗芽、幼穗和種子）中共獲取超11萬個(gè)細(xì)胞的RNA表達(dá)與染色質(zhì)可及性數(shù)據(jù)，通過分析和大量原位雜交試驗(yàn)驗(yàn)證鑒定出54個(gè)細(xì)胞類型，首次在水稻多個(gè)組織進(jìn)行了全面的細(xì)胞類型鑒定及深入數(shù)據(jù)挖掘。

圖1 水稻56個(gè)細(xì)胞類型單細(xì)胞圖譜

基于細(xì)胞水平的表達(dá)與染色質(zhì)開放信息，對(duì)水稻細(xì)胞命運(yùn)擾動(dòng)進(jìn)行了“虛擬敲除”模擬，預(yù)測(cè)了基因擾動(dòng)后細(xì)胞軌跡和狀態(tài)變化。例如，通過模擬RSR1基因的敲除，預(yù)測(cè)了其對(duì)皮層細(xì)胞的顯著命運(yùn)改變，并經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這一方法分析關(guān)鍵基因?qū)?xì)胞發(fā)育的功能，提供了智能預(yù)測(cè)手段。同時(shí)，在單細(xì)胞水平上基于染色質(zhì)可及性區(qū)域DNA序列motif富集度與轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)趨勢(shì)，預(yù)測(cè)了每個(gè)細(xì)胞類型中轉(zhuǎn)錄因子是激活型還是抑制型。

圖2 水稻細(xì)胞命運(yùn)擾動(dòng)模型

對(duì)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，將基因根據(jù)表達(dá)動(dòng)態(tài)分成若干模塊，每個(gè)模塊中的基因在某些細(xì)胞類型中呈現(xiàn)出高度一致的表達(dá)趨勢(shì)。每個(gè)模塊代表一組功能關(guān)聯(lián)的基因協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，比如M2模塊與光合作用、M4與氮代謝密切相關(guān)。每個(gè)模塊在細(xì)胞類型中的富集程度顯著不同，為挖掘性狀關(guān)聯(lián)的單細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了基礎(chǔ)。

圖3 基于scRNA數(shù)據(jù)的hdWGCNA共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

通過將水稻群體GWAS結(jié)果和單細(xì)胞數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，發(fā)現(xiàn)了“細(xì)胞類型-性狀”的潛在關(guān)系，發(fā)現(xiàn)分蘗數(shù)、粒重、抗病性等核心性狀與特定細(xì)胞類型的表達(dá)和調(diào)控模式高度相關(guān)，如分蘗數(shù)與分蘗芽細(xì)胞、粒重與種胚細(xì)胞、抗病性與葉表皮細(xì)胞的精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)。

圖4 性狀-細(xì)胞類型關(guān)聯(lián)圖譜

依托單細(xì)胞共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)與擾動(dòng)模擬預(yù)測(cè)，作者挖掘出細(xì)胞類型特的調(diào)控水稻發(fā)育性狀的三個(gè)基因：

RSR1：在根皮層中高度特異表達(dá)，通過模擬敲除預(yù)測(cè)其為皮層細(xì)胞命運(yùn)控制的基因。實(shí)驗(yàn)證明rsr1突變體根長(zhǎng)顯著增加、皮層細(xì)胞體積擴(kuò)大，驗(yàn)證其負(fù)調(diào)控作用。

OsF3H：碳代謝與氮代謝的樞紐基因，表達(dá)于葉肉和根維管，osf3h突變導(dǎo)致根短縮、光合能力下降、總氮含量降低，揭示其在碳氮協(xié)同中的關(guān)鍵角色。

LTPL120：根皮層特異表達(dá)，通過GWAS關(guān)聯(lián)與單細(xì)胞定位發(fā)現(xiàn)其是調(diào)控根系與株型的重要因子。突變體表現(xiàn)出分蘗數(shù)增加、株高變化，為株型優(yōu)化提供潛在基因靶點(diǎn)。

進(jìn)一步對(duì)穗早期到齊穗期不同階段的穗樣本（包括SP3、SP4、SP6和SP8階段）進(jìn)行了單細(xì)胞多組學(xué)測(cè)序。首次發(fā)現(xiàn)了分生組織中的“過渡態(tài)細(xì)胞”，揭示其在細(xì)胞命運(yùn)決定中的關(guān)鍵作用，為理解植物發(fā)育過程細(xì)胞的動(dòng)態(tài)變化提供了新視角。關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子OsRA2和OsERF82的突變體研究進(jìn)一步支持了過渡態(tài)細(xì)胞的重要性：osra2突變導(dǎo)致籽粒變長(zhǎng)、oserf82突變導(dǎo)致籽粒變寬，形態(tài)變化直接驗(yàn)證了其在籽粒發(fā)育初期的調(diào)控功能。

圖5 穗發(fā)育新模型

另外，作者開發(fā)并上線了Rice-SCMR（Rice Single-Cell Multi-omics Resource）平臺(tái)（http://www.elabcaas.cn/scmr）。該平臺(tái)具備以下功能：

• 支持在56個(gè)注釋細(xì)胞類型中自由檢索基因表達(dá)和染色質(zhì)開放狀態(tài)；

• 提供基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、擾動(dòng)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果、細(xì)胞類型marker等可視化瀏覽；

• 集成GWAS和性狀的關(guān)聯(lián)分析。

Rice-SCMR的上線為水稻乃至其他作物單細(xì)胞研究提供了共享與合作的平臺(tái)，助推多組學(xué)大數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)育種中的應(yīng)用。

圖6 水稻單細(xì)胞多組學(xué)可視化數(shù)據(jù)平臺(tái)

綜上所述，該研究構(gòu)建了首個(gè)水稻多器官單細(xì)胞多組學(xué)圖譜，通過基因擾動(dòng)模擬、轉(zhuǎn)錄因子功能預(yù)測(cè)、共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)與GWAS整合等智能預(yù)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從單細(xì)胞功能的深度解析，為作物智能育種提供了單細(xì)胞水平的工具。

谷曉峰研究員和梁哲研究員為共同通訊作者，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所王祥宇、李東維、首都醫(yī)科大學(xué)黃煥偉、華大基因姜三杰、華大研究院康靖民、格致博雅王開來為本文共同第一作者；謝上、佟程、劉超凡、胡桂花、李昊倩、李聰、楊立文、加州大學(xué)河濱分校丁亦可、格致博雅李尚桐、魯汶大學(xué)王發(fā)明、海德堡大學(xué)Jan U. Lohmann教授等參與研究。感謝薛紅衛(wèi)教授提供材料支持。本研究得到了生物育種國家重大科技項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金，中央公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金，歐盟ERC項(xiàng)目“DECODE”等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09251-0