一株水稻的根、莖、葉、花如何通過細胞間的精密協(xié)作實現(xiàn)生長發(fā)育與逆境適應？這一長期困擾作物科學界的難題，如今在單細胞精度上獲得系統(tǒng)性突破。
7月15日，記者從中國農(nóng)業(yè)科學院獲悉，國際權(quán)威期刊《自然》發(fā)表該院生物技術(shù)研究所（以下簡稱“生物所”）研究員谷曉峰領(lǐng)銜的成果——全球首個水稻多器官單細胞多組學圖譜正式發(fā)布。本次研究覆蓋了水稻8大器官、11.2萬個細胞，首次繪制出水稻54種細胞類型的“基因調(diào)控地圖”，構(gòu)建了細胞類型特異的基因調(diào)控網(wǎng)絡，并通過研發(fā)算法實現(xiàn)關(guān)鍵基因的高精度定位和智能預測，為精準設(shè)計改良水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆等復雜性狀奠定了分子基礎(chǔ)。
作為我國主要糧食作物，水稻的根、莖、葉、穗等器官由功能各異的細胞群構(gòu)成。傳統(tǒng)技術(shù)難以揭示這些細胞群體的異質(zhì)性及協(xié)同機制。論文第一作者、生物所博士后王祥宇告訴科技日報記者，研究團隊創(chuàng)新性地采用同步多組學測序技術(shù)，同時對水稻的單個細胞的RNA轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)開放狀態(tài)進行捕獲。通過對水稻根尖、莖、葉片、幼穗等8個關(guān)鍵器官的深度解析和細胞分群，結(jié)合原位雜交實驗對其空間分布進行驗證，最終鑒定出54種細胞類型。研究人員還在水稻花序分生組織中發(fā)現(xiàn)一類具有“承前啟后”功能的過渡態(tài)細胞，這類細胞在水稻的發(fā)育命運轉(zhuǎn)換中扮演核心樞紐角色。
調(diào)控基因RSR1被稱為“根皮層建筑師”，調(diào)控皮層細胞分化，影響水分養(yǎng)分吸收效率；調(diào)控基因F3H則是“碳氮協(xié)調(diào)者”，在維管束細胞中平衡光合產(chǎn)物與氮代謝；調(diào)控基因LTPL120作為“株型調(diào)控手”，通過分蘗芽細胞決定植株形態(tài)。
研究團隊開發(fā)了“細胞虛擬基因敲除”“細胞類型智能預測”等新算法和模型，實現(xiàn)細胞水平的基因功能預測，并通過基因編輯水稻進行了驗證。“基于大數(shù)據(jù)和開發(fā)的工具，現(xiàn)在可精準靶向特定細胞類型的關(guān)鍵基因，實現(xiàn)目標性狀的改良。”谷曉峰說。團隊還發(fā)現(xiàn)，水稻與玉米、高粱等植物在根的表皮細胞、維管束細胞等功能上存在高度一致性，為跨物種遺傳改良提供了重要線索。
為加速科研成果應用，研究團隊同步構(gòu)建全球首個水稻單細胞多組學數(shù)據(jù)庫Rice-SCMR。該平臺整合三大功能模塊：在細胞導航方面，54種細胞類型基因表達與染色質(zhì)開放狀態(tài)查詢；在性狀溯源方面，關(guān)聯(lián)多個農(nóng)藝性狀相關(guān)遺傳位點與特定細胞類型；在靶點預測方面，基于調(diào)控網(wǎng)絡推薦設(shè)計育種候選基因。
“全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）顯示，粒長、分蘗數(shù)等性狀確實與特定細胞類型高度相關(guān)。”王祥宇介紹道，團隊揭示的細胞類型功能保守性與多樣性規(guī)律，為未來設(shè)計具備高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、新型“模塊化水稻”奠定理論基礎(chǔ)。隨著Rice-SCMR數(shù)據(jù)庫向全球開放共享，科研人員可精準定位控制目標性狀的細胞類型，進而利用基因編輯技術(shù)實現(xiàn)“指哪打哪”的單細胞水平的設(shè)計育種。
（生物所供圖）
（原標題：《自然》刊文：我國科學家構(gòu)建全球首個水稻多器官單細胞多組學圖譜 ）
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