我国植物科学领域再发Nature

水稻是全球重要的粮食作物之一，提升其单产一直是水稻育种的核心目标。尽管我国水稻单产已高于全球平均水平，但仍仅为全球单产最高国家的60%左右，存在显著的提升空间。近年来，我国水稻单产增长逐渐放缓，亟需借助新兴的测序技术，加速对调控产量相关性状的关键基因的挖掘，为高产水稻育种提供优质基因资源，从而实现粮食产量的持续稳定增长。单细胞测序技术凭借其高细胞通量和高分辨率的优势，为系统性地探究单细胞分子机制开辟了全新的研究途径，但迄今为止，植物中尚未应用全面的单细胞多组学研究。

►从细胞出发，揭示作物表型背后的调控模式

水稻作为全球最重要的粮食作物，其产量与品质密切依赖于根、茎、叶、种子等器官的发育与功能。长期以来，通过全基因组、群体遗传、分子生物学等手段挖掘了重要性状的调控基因和网络，但对于基因在何种细胞类型中发挥作用、如何在单细胞水平参与组织发育与性状形成，尚缺乏系统性认识。

本研究团队利用10x Genomics单细胞多组学（Multiome）平台，在水稻中首次实现单一细胞水平上同步刻画基因表达与染色质调控状态，在水稻8个主要器官（根、茎、幼叶、旗叶、茎尖、分蘖芽、幼穗和种子）中共获取超11万个细胞的RNA表达与染色质可及性数据，通过分析和大量原位杂交试验验证鉴定出54个细胞类型，全面解析了水稻在组织层面的功能细胞组成。

图1 水稻56个细胞类型UMAP图

►模拟基因扰动，高效预测调控因子功能

研究团队基于细胞水平的表达与染色质开放信息，开发了水稻细胞命运扰动模拟算法。通过CellOracle算法在不同细胞类型中进行in silico“虚拟敲除”，预测基因扰动后细胞轨迹和状态变化。例如，模拟RSR1基因的敲除，预测到皮层细胞的显著命运改变，并指导后续实验验证。这一方法为无须通过基因编辑分析关键基因功能，提供了有效智能预测手段。

图2 水稻细胞命运扰动模型

►整合转录因子motif与表达，精准预测单细胞水平功能方向

团队在单细胞水平上开发了基于染色质可及性区域DNA序列motif富集度与转录因子表达趋势相结合的预测流程，可系统区分每个细胞类型中转录因子是激活型还是抑制型。这项方法大规模识别了250余个潜在关键TF的调控模式，以ARF8为例，其motif富集并伴随表达增加，预测其为转录激活型因子，与已报道结果高度一致。这种多组学耦合的智能预测，极大提升了单细胞水平的转录调控研究效率与准确性。

图3 水稻转录因子功能预测模型

►共表达网络精准定位关键代谢模块

为了系统揭示水稻不同细胞类型中基因如何协同工作，我们对单细胞水平的大规模转录组数据进行共表达网络分析。这种方法通过计算基因表达模式之间的相似性，将成千上万个基因根据表达动态分成若干模块。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，通常参与同一生物过程或调控通路。最终，我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能关联的基因协作网络，这种模块化能够揭示复杂性状的调控机制，提供理解细胞功能和作物性状的重要线索。其中，M2模块与光合作用、M4与氮代谢密切相关。每个模块在细胞类型中的富集程度显著不同，为挖掘性状关联的单细胞代谢调控网络奠定了基础。

图4 基于scRNA数据的hdWGCNA共表达网络构建

►性状精准设计：打通基因-细胞-性状三维关联

将水稻群体GWAS结果整合至单细胞分辨率网络，建立“基因-细胞类型-性状”三维精准关联图，发现分蘖数、粒重、抗病性等核心性状与特定细胞类型的表达和调控模式高度相关，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，实现农艺性状在单细胞层面的精细解析与关联预测。

图5 性状-细胞类型-基因关联图谱

►精确定位三个关键基因，揭示水稻核心性状调控因子

依托高分辨率共表达网络与扰动模拟预测，研究系统性地挖掘并功能验证了三个关键调控基因：

RSR1：在根皮层中高度特异表达，通过模拟敲除预测其为皮层细胞命运控制核心。实验证明rsr1突变体根长显著增加、皮层细胞体积扩大，验证其负调控作用。

OsF3H：连接碳代谢与氮代谢的枢纽基因，表达于叶肉和根维管，osf3h突变导致根短缩、光合能力下降、总氮含量降低，揭示其在碳氮协同中的关键角色。

LTPL120：根皮层特异表达，通过GWAS关联与单细胞定位发现其是调控根系与株型的重要因子。突变体表现出分蘖数增加、株高变化，为株型优化提供潜在基因靶点。

►分析穗部单细胞发育轨迹，定义“过渡态细胞”新类型

为了揭示穗发育，特别是花原基形成的调控机制，我们对始穗期到齐穗期不同阶段的穗样本（包括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迹重建中，研究首次发现一种此前未被描述的“过渡态细胞”：这类细胞染色质已经开放，但RNA表达尚未启动，处于“转化准备”状态。这种状态提示发育中存在“染色质先行激活→基因延后表达”的分化机制，揭示了细胞分化调控的复杂性和层次感，为理解植物发育过程提供了全新的视角。

关键转录因子OsRA2和OsERF82的突变体研究进一步支持了过渡态细胞的重要性：osra2突变导致籽粒变长、oserf82突变导致籽粒变宽，形态变化直接验证了其在籽粒发育初期的调控功能。

图6 穗发育新模型

►Rice-SCMR：首个水稻单细胞多组学智能可视化平台

为了服务全球科研社区、加速成果转化，研究团队开发并上线了Rice-SCMR（Rice Single-Cell Multi-omics Resource）平台（http://www.elabcaas.cn/scmr）。该平台具备以下功能：

·支持在56个注释细胞类型中自由检索基因表达和染色质开放状态；

·提供基因调控网络、扰动模拟预测结果、细胞类型marker等可视化浏览；

·集成GWAS关联性状的三维精准定位，实现“基因-细胞类型-性状”的智能设计；

Rice-SCMR的上线为水稻乃至其他作物单细胞研究提供了共享与合作的平台，助推多组学大数据在农业育种中的应用。

图7 水稻单细胞多组学可视化数据平台

►总结：助力水稻单细胞水平的智能设计育种发展

该研究不仅构建了全球首个水稻多器官单细胞多组学数据库，更建立了基因扰动模拟、转录因子功能预测、共表达网络与GWAS整合等智能预测和设计技术，实现了从单细胞到性状设计的精准对接，为作物智能育种提供了单细胞水平预测设计的新范式与强大工具。

中国农业科学院生物技术研究所博士后王祥宇、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、华大研究院康靖民、格致博雅王开来为本文共同第一作者；梁哲研究员和谷晓峰研究员为共同通讯作者。谢上、佟程、刘超凡、胡桂花、李昊倩、李聪、杨立文、加州大学河滨分校丁亦可、格致博雅李尚桐、鲁汶大学王发明、海德堡大学Jan U. Lohmann教授等参与研究。感谢薛红卫教授提供材料支持。

本研究得到了生物育种国家重大科技项目、国家自然科学基金、中央公益性科研院所基本科研业务费专项资金、欧洲研究委员会协同项目“DECODE”等项目的支持。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09251-0