米兰官网-11万细胞：“数字水稻”初养成—新闻—科学网

“细胞”一词的英文原义是“小室”。1665年，罗伯特 虎克初次于显微镜下看到了厥后被他起名为“细胞”的生物布局。360年来，科学家对于作为生物体基本的布局及功效单元的细胞相识患上愈来愈周全，可以说细胞险些是所有生命历程发生的主要场合。

细胞里毕竟发生着甚么？以份子情势生存的遗传信息是怎样经由过程细胞表达，从而体现为咱们肉眼可见的表型特性？

近日，中国农业科学院生物技能研究所研究员谷晓峰结合海内外团队，以水稻为研究对于象，绘制了全世界首个笼罩水稻全生命器官的单细胞多组学图谱，解析了差别类型细胞的功效和其对于繁杂性状的调控作用，开发了单细胞程度的基因扰动模仿表型变化、基因功效猜测等算法模子，猜测并挖掘出细胞类型特异的调控水稻性状的基因，为水稻设计育种提供了细胞程度特异候选靶点。

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谷晓峰告诉《中国科学报》，数字化是作物智能设计育种的基础。当把水稻所有的调控收集都数字化，就构建了一个“数字水稻”的雏形。

相干研究结果于《天然》杂志发表，论文评审人指出，这些数据和多项阐发质量较高，将成为水稻基因组学范畴的名贵资源。

给水稻细胞做个“人口普查”

水稻是全世界最主要的食粮作物，其根、茎、叶、种子等器官有差别的功效的细胞类型组成，这些细胞类型对于水稻发育、品质与功抗性等有怪异的作用，但细胞类型的鉴定和其功效今朝相识较少。

“水稻的功效基因组研究于作物中领先，这是咱们选择水稻来做智能设计育种的一个重要缘故原由。但另外一方面，水稻单细胞程度的数据不足限定了对于精准调控的研究。”论文通信作者谷晓峰说，传统要领没法解析基因于差别细胞类型中的特异性调控，而单细胞多组学技能让水稻细胞层面的“精准剖解”成了可能。

“已往没有这项技能的环境下，只能把所有的细胞类型都混于一路去测序，去寻觅功效基因。好比怎么包管产量，怎么从一个细胞逐步发育成肉眼看到的穗或者者种子。”谷晓峰说，该团队从水稻的根、茎、叶、穗、种子等8年夜器官中分散出11万多个单细胞，初次同步捕捉了每一个细胞的“基因表达档案”（转录组）及“DNA开关状况”（染色质可和性。再经由过程多维阐发及原位验证，并终极鉴定出54种功效各别的细胞类型——相称在给水稻做了一次前所未有的“细胞人口普查”。

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谷晓峰团队破费了近四年时间完成这项事情。技能实行面对的首要挑战是高质量细胞核分散，差别器官需要定制化的解离方案。

终极，该团队得到11.3万个高质量单细胞，每一个细胞平均检测到1500多个基因及63000多个开放染色质区域，这是应用双组学技能同步捕捉统一细胞信息得到的结果。54种细胞类型笼罩了根、茎、叶、穗等器官，为理解水稻的发育机制提供了新的认知。

惹人留意的是，他们初次发明了水稻分生构造中的“过渡态细胞”。传统上认为“基因表达即分解”，论文配合通信作者、生物所研究员梁哲告诉《中国科学报》，他们发明了一莳植物细胞分解的潜于新模式。

于水稻穗发育中，有一类细胞虽然还有没有最先孕育发生RNA，基因还没有表达，却已经经经由过程转变染色质布局，将要害基因区域打开，处在一种“随时待命”的状况，但真实的RNA表达却较着滞后。

这象征着分解历程可能并不是单一地依靠基因表达的启动，细胞先经由过程“染色质激活”预备好了转录情况，然后等候表里部发育旌旗灯号触发基因的真正表达。近似的机制于动物干细胞及某些发育体系中也有报导，申明这是一种遍及存于的调控计谋。

“这类‘激活→等候→表达’的分步机制让细胞能快速相应变化的旌旗灯号，使发育历程更矫捷且邃密，为后续的基因表达及细胞运气决议奠基基础。这一发明展现了细胞分解调控的繁杂性及条理感，为理解植物发育历程提供了全新的视角。”梁哲说。

实现“细胞标准”的性状精准改进

“此刻的研究可以为水稻智能设计育种进入细胞类型的维度，例如精准调控表皮或者维管细胞的基因提供数据及技能支撑。”谷晓峰说，此次构建的多组学单细胞数据库为智能设计育种奠基基础。

他们开发使用CellOracle等智能算法，于单细胞层面“虚拟敲除了”要害基因，猜测基因缺掉后细胞的运气轨迹会发生甚么变化。

论文配合第一作者、中国农业科学院生物技能研究所博士后王祥宇先容，判定猜测正确性的重要尺度就是猜测成果与试验数据中现实突变体表型是否高度一致。

举例来讲，RSR1是水稻中一个负调控淀粉合成基因表达的转录因子。“咱们发明该基因于根的皮层细胞中特异表达。经由过程虚拟敲除了模仿于根中敲除了RSR1基因的变化，即于模子里‘伪装’这个基因被封闭，从而猜测它于特定细胞类型中对于细胞运气轨迹的影响。”

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于现实操作中，CellOracle起首联合单细胞表达及染色质状况，揣度出每一个基因于细胞内可能的调控收集；然后经由过程模仿要害基因缺掉，重修细胞的发育轨迹，并猜测细胞怎样从一种状况转向另外一种状况。

猜测成果显示，根皮层细胞会向其他细胞类型改变，特别是向表皮及维管细胞改变。

而于试验验证中，rsr1突变体的根变患上更长，但皮层细胞体积较着变小，维管细胞较着变长，表皮细胞数量削减。

“这个例子直接验证了猜测的正确性。”王祥宇说，“虚拟敲除了”显著晋升了研究效率，猜测体系的正确性经由过程已经知功效基因的年夜范围验证获得确认。研究团队拔取251个已经报导功效的转录因子举行测试，经由过程与已经报导转录因子功效对于比，模子对于其激活或者按捺类型的判定正确率到达92%。

此外，经由过程对于比猜测成果及突变体的真实体现，研究者将来能不停优化调控收集模子，形成“猜测→验证→批改→再猜测”的轮回，年夜幅提高要害基因筛选的效率及正确性。

谷晓峰夸大，这类基在单细胞数据的虚拟敲除了计谋，不需要先建造突变体，就能提早锁定最有可能影响方针性状的基因，年夜年夜节省了试验周期及成本，同时能体系性地摸索差别基因于特定细胞类型中的功效，为作物精准改进提供有力东西。

从试验室到田间的“智能设计”

然而单个基因的精准研究不是他们的终极方针，为了体系展现水稻差别细胞类型中基因怎样协同事情，他们进一步对于单细胞程度的年夜范围转录组数据举行共表达收集阐发。

“这类要领经由过程计较基因表达模式之间的相似性，将成千上万个基因按照表达动态分成若干模块。每一个模块中的基因于某些细胞类型中出现出高度一致的表达趋向，凡是介入统一生物历程或者调控通路。”梁哲说，终极，他们将水稻基因划分为9个共表达模块（M1至M9）。每一个模块代表一组功效联系关系的基因协作收集，这类模块化可以或许展现繁杂性状的调控机制，提供理解细胞功效及作物性状的主要线索。

论文配合第一作者、中国农业科学院生物技能研究所博士研究生李东维说，例如M2模块富含年夜量介入光互助用的基因，这些基因于叶肉细胞中尤其活跃，申明它们相互协同，形成叶片高效完成光合反映所需的基因收集。

而M4模块聚焦在与氮代谢相干的基因，这些基因于根的皮层细胞及维管细胞中表达量最高，申明这些细胞是氮接收、夹杂及运输的焦点履行者。

M7模块包罗调控激素旌旗灯号及应对的基因，这一模块于分生构造细胞中体现凸起，展现它们于维持分生构造活性及生长调控中的要害作用。

“经由过程这类共表达收集阐发，咱们不仅能发明功效基因的组合模式，还有能相识它们怎样于差别细胞类型中形成特定功效的‘基因同盟’。这类模块化视角让咱们能从总体上理解水稻生长发育、养分使用及窘境相应等繁杂性状是怎样于细胞层面实现的。”李东维说。

谷晓峰注释到，水稻根尖皮层细胞就像“养分堆栈”，卖力运输及贮存营养；而叶肉细胞中的M2模块基因则是“太阳能工场”，主攻光互助用。经由过程单细胞程度的研究，此刻能精准定位每一种细胞的“本能机能”。

谷晓峰告诉记者，整套研究结果已经经整合至全世界科学家可免费利用的Rice-SCMR平台（http://www.elabcaas.cn/scmr），实现了三年夜立异功效：研究者输入方针基因便可猜测其于54种细胞类型中的功效影响；经由过程联系关系GWAS数据，能定位节制分蘖数、粒重等性状的要害细胞类型；用户还有可模仿多基因协同编纂效果。

“单细胞多组学图谱的焦点价值于在买通了基因功效与农艺性状的单细胞程度精准联系关系通道，数据开放是范畴成长的基石。”谷晓峰夸大，全世界研究者可配合验证及优化模子。从虚拟敲除了到收集解析，智能设计正将作物育种带入“细胞设计”的新轨道。

相干论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09251-0