2025年7月9日23时，中国农业科学院生物技能研讨所谷晓峰团队联合华大基因、美国加州大学河岸分校、德国海德堡大学、比利时鲁汶大学等国内外多家研讨机构，在《天然》（Nature）宣布题为“A single-cell multi-omics atlas of rice”

  本研讨初次在单细胞水平同步捕获水稻八个重要器官的RNA表达与染色质可及性状况，构建了全球首个水稻多器官单细胞多组学图谱，解析杂乱性状调控的单细胞发育根底，并经过研制算法完成要害基因的高精度定位和智能猜测，为水稻规划育种供给了极具潜力的细胞水平特异候选靶点，有助于打破当时水稻单产添加瓶颈，为加快培养高产优质水稻新品种、保证国家粮食安全供给坚实的理论支撑和技能储备。

  水稻是全球重要的粮食作物之一，提高其单产一直是水稻育种的中心方针。虽然我国水稻单产已高于全球中等水准，但仍仅为全球单产最高国家的60%左右，存在十分显着的提高空间。近年来，我国水稻单产添加逐步放缓，亟需凭仗新式的测序技能，加快对调控产值相关性状的要害基因的发掘，为高产水稻育种供给优质基因资源，以此来完成粮食产值的继续稳定添加。单细胞测序技能凭仗其高细胞通量和高分辨率的优势，为体系性地探求单细胞分子机制拓荒了全新的研讨途径，但迄今为止，植物中没有使用全面的单细胞多组学研讨。

  水稻作为全球最重要的粮食作物，其产值与质量亲近依赖于根、茎、叶、种子等器官的发育与功用。长期以来，经过全基因组、集体遗传、分子生物学等手法发掘了重要性状的调控基因和网络，但关于基因在何种细胞类型中发挥效果、如安在单细胞水平参加安排发育与性状构成，尚缺少体系性知道。

  本研讨团队使用10x Genomics单细胞多组学（Multiome）渠道，在水稻中初次完成单一细胞水平上同步描写基因表达与染色质调控状况，在水稻8个首要器官（根、茎、幼叶、旗叶、茎尖、分蘖芽、幼穗和种子）获取超11万个细胞的RNA表达与染色质可及性数据，经过一系列剖析和很多原位杂交试验验证判定出54个细胞类型，全面解析了水稻在安排层面的功用细胞组成。

  研讨团队依据细胞水平的表达与染色质敞开信息，开发了水稻细胞命运扰动模仿算法。经过CellOracle算法在不同细胞类型中进行in silico“虚拟敲除”，猜测基因扰动后细胞轨道和状况改动。例如，模仿RSR1基因的敲除，猜测到皮层细胞的明显命运改动，并辅导后续试验验证。这一办法为无须经过基因修改剖析要害基因功用，供给了有用智能猜测手法。

  团队在单细胞水平上开发了依据染色质可及性区域DNA序列motif富集度与转录因子表达趋势相结合的猜测流程，可体系区别每个细胞类型中转录因子是激活型仍是按捺型。这项办法大规模识别了250余个潜在要害TF的调控形式，以ARF8为例，其motif富集并随同表达添加，猜测其为转录激活型因子，与已报导成果高度一致。这种多组学耦合的智能猜测，极大提高了单细胞水平的转录调控研讨功率与准确性。

  为了体系提醒水稻不同细胞类型中基因怎么协同作业，咱们对单细胞水平的大规模转录组数据来进行共表达网络剖析。这种办法经过核算基因表达形式之间的相似性，将成千上万个基因依据表达动态分红若干模块。每个模块中的基因在某些细胞类型中呈现出高度一致的表达趋势，一般参加同一生物进程或调控通路。终究，咱们将水稻基因划分为9个共表达模块（M1至M9）。每个模块代表一组功用相关的基因协作网络，这种模块化可以提醒杂乱性状的调控机制，供给了解细胞功用和作物性状的重要头绪。其间，M2模块与光合效果、M4与氮代谢严密相关。每个模块在细胞类型中的富集程度明显不同，为发掘性状相关的单细胞代谢调控网络奠定了根底。

  将水稻集体GWAS成果整合至单细胞分辨率网络，树立“基因-细胞类型-性状”三维精准相关图，发现分蘖数、粒重、抗病性等中心性状与特定细胞类型的表达和调控形式高度相关，如分蘖数与分蘖芽细胞、粒重与种胚细胞、抗病性与叶表皮细胞的精准对应，完成农艺性状在单细胞层面的精密解析与相关猜测。

  依托高分辨率共表达网络与扰动模仿猜测，研讨体系性地发掘并功用验证了三个要害调控基因：

  RSR1：在根皮层中高度特异表达，经过模仿敲除猜测其为皮层细胞命运操控中心。试验证明rsr1骤变体根长显着地添加、皮层细胞体积扩展，验证其负调控效果。

  OsF3H：衔接碳代谢与氮代谢的纽带基因，表达于叶肉和根维管，osf3h骤变导致根短缩、光合才能变弱、总氮含量下降，提醒其在碳氮协同中的要害人物。

  LTPL120：根皮层特异表达，经过GWAS相关与单细胞定位发现其是调控根系与株型的重要因子。骤变体表现出分蘖数添加、株高改动，为株型优化供给潜在基因靶点。

  为了提醒穗发育，特别是花原基构成的调控机制，咱们对始穗期到齐穗期不同阶段的穗样本（包含SP3、SP4、SP6和SP8阶段）进行了单细胞双组学的测序，获得了4万多个高质量的细胞核数据。在穗部发育单细胞轨道重建中，研讨初次发现一种此前未被描绘的“过渡态细胞”：这类细胞染色质现已敞开，但RNA表达没有发动，处于“转化预备”状况。这种状况提示发育中存在“染色质先行激活→基因拖延表达”的分解机制，提醒了细胞分解调控的杂乱性和层次感，为了解植物发育进程供给了全新的视角。

  要害转录因子OsRA2和OsERF82的骤变体研讨进一步支撑了过渡态细胞的重要性：osra2骤变导致籽粒变长、oserf82骤变导致籽粒变宽，形状改动直接验证了其在籽粒发育初期的调控功用。

  ·供给基因调控网络、扰动模仿猜测成果、细胞类型marker等可视化阅读；

  ·集成GWAS相关性状的三维精准定位，完成“基因-细胞类型-性状”的智能规划；

  Rice-SCMR的上线为水稻甚至其他作物单细胞研讨供给了同享与协作的渠道，助推多组学大数据在农业育种中的使用。

  该研讨不只构建了全球首个水稻多器官单细胞多组学数据库，更树立了基因扰动模仿、转录因子功用猜测、共表达网络与GWAS整合等智能猜测和规划技能，完成了从单细胞到性状规划的精准对接，为作物智能育种供给了单细胞水平猜测规划的新范式与强壮东西。

  中国农业科学院生物技能研讨所博士后王祥宇、博士生李东维、首都医科大学博士生黄焕伟、华大基因姜三杰、华大研讨院康靖民、格致博雅王开来为本文一起榜首作者；梁哲研讨员和谷晓峰研讨员为一起通讯作者。谢上、佟程、刘超凡、胡桂花、李昊倩、李聪、杨立文、加州大学河岸分校丁亦可、格致博雅李尚桐、鲁汶大学王创造、海德堡大学Jan U. Lohmann教授等参加研讨。感谢薛红卫教授供给资料支撑。

  本研讨得到了生物育种国家严重科学技能项目、国家天然科学基金、中心公益性科研院所根本科研业务费专项资金、欧洲研讨委员会协同项目“DECODE”等项目的支撑。