中國科研團隊繪就水稻全生命周期細胞時空圖譜　成果刊發《細胞》

香港文匯報訊（記者 郭若溪）近日，崖州灣國家實驗室聯合華大生命科學研究院、華中農業大學、南方科技大學、武漢大學、中國科學院遺傳與發育生物學研究所等12家科研機構，分工協作完成的水稻研究成果，在國際學術期刊《細胞》（Cell）在線發表。研究團隊首次構建了覆蓋水稻從種子萌發到開花結實全過程的三維時空細胞圖譜，整合了基因組、細胞發育階段與空間轉錄組信息，為在個體尺度上理解植物發育提供了重要基礎。

水稻的生長發育涉及不同類型細胞的協同作用。過去，研究人員可以分析某個基因的功能，或觀察某一組織、某一發育階段的變化，但在完整生命周期中，數萬個基因在何處、何時參與調控生長發育，業界仍缺少系統性認識。

此次研究以粳稻品種中花11為材料，整合了華大自主研發的時空組學技術Stereo-seq、單細胞建庫平台DNBelab C4和人工智能分析，建立覆蓋10類器官或組織、61個發育階段的圖譜。研究團隊獲取了約85萬個高質量細胞核的數據，以及超過34萬個空間數據單元，註釋出119種細胞類型和133個細胞亞型。

這張圖譜可以理解為一份帶有時間和空間位置的生命信息地圖：它既呈現了不同細胞類型在組織中的分布，也反映了功能基因表達隨發育階段發生的變化，幫助研究者將分子層面的信息與水稻宏觀的生長過程聯繫起來。

研究的一項重要發現發生在胚乳內部。胚乳是籽粒儲藏營養物質的重要組織。團隊發現，發育中的胚乳存在精細的「空間分工」：背側周緣胚乳區域更富集澱粉合成等相關基因，腹側周緣胚乳區域則更偏向儲藏蛋白合成相關基因。進一步研究表明，相關基因的突變可以改變澱粉和蛋白在背腹區域的積累格局。

這一發現使籽粒營養分配和品質形成的研究，進一步深入到了胚乳的不同空間區域，為探索更精細的品質調控策略提供了科學依據。

此外，團隊研究發現，關鍵調控因子OsARF1能夠在不同空間和不同發育時期轉錄表達，從而參與胚乳營養分配等不同的分子調控網絡。這為解釋「一基因影響多性狀」的現象提供了全新的視角。

為了讓這項成果轉化為可持續使用的公共資源，團隊建立了交互式在線圖譜平台，支持基因查詢、空間表達展示和比較分析，並開發了水稻單細胞基礎模型RICE scGPT。該模型相當於為農業科研界打造了一個懂水稻細胞的「AI大模型」，利用本研究及公開的水稻單細胞數據訓練，可輔助細胞類型註釋和不同來源數據集的整合，提高了數據的可比性與復用性。

該項目也是中國科研界探索有組織科研的一次成功實踐。在崖州灣國家實驗室的頂層設計下，項目採取科企聯合「揭榜挂帥」的協同攻關模式，基於華大時空組學等技術，與領域優勢科研單位通力合作，最終在多維組學、數據分析、生物學機制解析等方面實現全面突破。