當(dāng)你吃下一碗米飯時，或許不會想到，這顆顆米粒的背后，藏著“上億個”形態(tài)各異、分工明確的水稻細(xì)胞。近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所的科研團隊在《自然（Nature）》雜志發(fā)表研究成果：他們繪制出全球首個水稻多器官單細(xì)胞多組學(xué)圖譜，就像為水稻細(xì)胞世界繪制了一套“高清導(dǎo)航圖”，首次能在單個細(xì)胞層面“看清”水稻多器官的生長密碼。
給11萬個水稻細(xì)胞“拍身份證”：從模糊群像到清晰特寫
水稻是我國主要的糧食作物，一根稻穗、一片葉子甚至一條根尖，都是由無數(shù)細(xì)胞“搭積木”般構(gòu)建而成。但長期以來，科學(xué)家們觀察水稻細(xì)胞就像看“集體合影”——只能看到細(xì)胞群體的大致模樣，卻分不清每個細(xì)胞的獨特身份和功能。
為了給水稻細(xì)胞“拍身份證”，科研人員選取了水稻的根、莖、葉、穗等8個關(guān)鍵器官，對其中11.6萬個細(xì)胞進(jìn)行了“深度體檢”：通過先進(jìn)的單細(xì)胞測序技術(shù)，同步分析每個細(xì)胞里的RNA表達(dá)（相當(dāng)于細(xì)胞的“工作記錄”）和染色質(zhì)可及性（相當(dāng)于基因表達(dá)的“開關(guān)狀態(tài)”）。
經(jīng)過細(xì)致分析和原位雜交實驗驗證，他們精準(zhǔn)識別出54種水稻細(xì)胞類型。比如根里負(fù)責(zé)吸收水分的表皮細(xì)胞、葉片中制造養(yǎng)分的葉肉細(xì)胞、穗部孕育種子的生殖細(xì)胞等，每種細(xì)胞都有了明確的“功能標(biāo)簽”。
發(fā)現(xiàn)細(xì)胞世界的“神秘過渡者”，破解生長密碼
在這場“細(xì)胞普查”中，科學(xué)家們有了意外發(fā)現(xiàn)：在水稻花序分生組織里，存在一種特殊的“過渡態(tài)”細(xì)胞。
這類細(xì)胞染色質(zhì)已經(jīng)開放，但RNA表達(dá)尚未啟動，處于“轉(zhuǎn)化準(zhǔn)備”狀態(tài)。提示發(fā)育中存在“染色質(zhì)先行激活→基因延后表達(dá)”的分化機制，揭示了細(xì)胞分化調(diào)控的復(fù)雜性和層次感，更易于理解水稻發(fā)育過程。
“這就像發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞世界的‘十字路口’，為稻穗精準(zhǔn)控制發(fā)育提供了選擇。”中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所研究員、團隊首席谷曉峰介紹，這一發(fā)現(xiàn)為理解水稻穗形成的微觀機制提供了新視角。
不僅如此，通過構(gòu)建細(xì)胞類型特異的“基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)”并結(jié)合“虛擬敲除”模擬實驗，團隊還揪出了多個“關(guān)鍵指揮官”：
RSR1基因：在根的皮層細(xì)胞中“發(fā)號施令”，負(fù)責(zé)調(diào)控根系發(fā)育，讓水稻更穩(wěn)地“扎根”土壤；
F3H基因：在維管細(xì)胞中協(xié)調(diào)“碳氮代謝”，就像細(xì)胞里的“營養(yǎng)調(diào)度員”平衡水稻的能量合成與養(yǎng)分利用；
LTPL120基因：在分蘗部位影響水稻的分枝數(shù)量和株型，直接關(guān)系到每畝地能長多少稻穗。
從細(xì)胞特性到糧食產(chǎn)量：育種有了“精準(zhǔn)靶點”
這場微觀世界的探索，還架起了“細(xì)胞特性”與“宏觀農(nóng)藝性狀”之間的橋梁。
科研團隊將單細(xì)胞數(shù)據(jù)與全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）結(jié)合，發(fā)現(xiàn)很多影響水稻產(chǎn)量、品質(zhì)的農(nóng)藝性狀，都能追溯到特定細(xì)胞類型。比如，籽粒大小與穗部的“糊粉層細(xì)胞”活性相關(guān)，抗倒伏能力由莖稈的“厚壁細(xì)胞”發(fā)育狀態(tài)決定。
“這就像找到了影響水稻高矮胖瘦的具體細(xì)胞‘開關(guān)’。” 谷曉峰解釋，未來育種可以像“精準(zhǔn)調(diào)控?zé)襞萘炼取币粯樱ㄟ^編輯特定細(xì)胞里的基因，定向改良水稻性狀。
研究還對比了水稻與玉米、擬南芥等植物的細(xì)胞功能，發(fā)現(xiàn)不同物種中，負(fù)責(zé)吸收養(yǎng)分的表皮細(xì)胞、運輸物質(zhì)的維管細(xì)胞等基礎(chǔ)細(xì)胞類型，其功能機制高度相似（保守性）；但與產(chǎn)量直接相關(guān)的生殖細(xì)胞等，則在進(jìn)化中形成了獨特“技能”（多樣性）。這為跨作物育種提供了參考。
目前，團隊已正式發(fā)布水稻單細(xì)胞多組學(xué)數(shù)據(jù)庫（Rice-SCMR），全球研究者都能從中分析和挖掘改良水稻的“候選靶點”。
“現(xiàn)在有了多器官細(xì)胞級圖譜，為育種帶上了‘顯微鏡導(dǎo)航’，可實現(xiàn)更精準(zhǔn)性狀改良。”業(yè)內(nèi)專家評價，這項研究為水稻“智能設(shè)計育種”奠定了基礎(chǔ)——未來可能通過調(diào)控特定細(xì)胞，培育出更高產(chǎn)、更抗蟲、更耐鹽堿的水稻品種。
