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[光明网]我国科学家绘出水稻“细胞级地图”,为育种装上“微观导航”

发布时间:2025-07-15 |来源: 光明网|作者:宋雅娟
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当你吃下一碗米饭时,或许不会想到,这颗颗米粒的背后,藏着“上亿个”形态各异、分工明确的水稻细胞。近日,中国农业科学院生物技术研究所的科研团队在《自然(Nature)》杂志发表研究成果:他们绘制出全球首个水稻多器官单细胞多组学图谱,就像为水稻细胞世界绘制了一套“高清导航图”,首次能在单个细胞层面“看清”水稻多器官的生长密码。


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给11万个水稻细胞“拍身份证”:从模糊群像到清晰特写

水稻是我国主要的粮食作物,一根稻穗、一片叶子甚至一条根尖,都是由无数细胞“搭积木”般构建而成。但长期以来,科学家们观察水稻细胞就像看“集体合影”——只能看到细胞群体的大致模样,却分不清每个细胞的独特身份和功能。

为了给水稻细胞“拍身份证”,科研人员选取了水稻的根、茎、叶、穗等8个关键器官,对其中11.6万个细胞进行了“深度体检”:通过先进的单细胞测序技术,同步分析每个细胞里的RNA表达(相当于细胞的“工作记录”)和染色质可及性(相当于基因表达的“开关状态”)。

经过细致分析和原位杂交实验验证,他们精准识别出54种水稻细胞类型。比如根里负责吸收水分的表皮细胞、叶片中制造养分的叶肉细胞、穗部孕育种子的生殖细胞等,每种细胞都有了明确的“功能标签”。

发现细胞世界的“神秘过渡者”,破解生长密码

在这场“细胞普查”中,科学家们有了意外发现:在水稻花序分生组织里,存在一种特殊的“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。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,更易于理解水稻发育过程。

“这就像发现了细胞世界的‘十字路口’,为稻穗精准控制发育提供了选择。”中国农业科学院生物技术研究所研究员、团队首席谷晓峰介绍,这一发现为理解水稻穗形成的微观机制提供了新视角。

不仅如此,通过构建细胞类型特异的“基因调控网络”并结合“虚拟敲除”模拟实验,团队还揪出了多个“关键指挥官”:

RSR1基因:在根的皮层细胞中“发号施令”,负责调控根系发育,让水稻更稳地“扎根”土壤;

F3H基因:在维管细胞中协调“碳氮代谢”,就像细胞里的“营养调度员”平衡水稻的能量合成与养分利用;

LTPL120基因:在分蘖部位影响水稻的分枝数量和株型,直接关系到每亩地能长多少稻穗。

从细胞特性到粮食产量:育种有了“精准靶点”

这场微观世界的探索,还架起了“细胞特性”与“宏观农艺性状”之间的桥梁。

科研团队将单细胞数据与全基因组关联分析(GWAS)结合,发现很多影响水稻产量、品质的农艺性状,都能追溯到特定细胞类型。比如,籽粒大小与穗部的“糊粉层细胞”活性相关,抗倒伏能力由茎秆的“厚壁细胞”发育状态决定。

“这就像找到了影响水稻高矮胖瘦的具体细胞‘开关’。” 谷晓峰解释,未来育种可以像“精准调控灯泡亮度”一样,通过编辑特定细胞里的基因,定向改良水稻性状。

研究还对比了水稻与玉米、拟南芥等植物的细胞功能,发现不同物种中,负责吸收养分的表皮细胞、运输物质的维管细胞等基础细胞类型,其功能机制高度相似(保守性);但与产量直接相关的生殖细胞等,则在进化中形成了独特“技能”(多样性)。这为跨作物育种提供了参考。

目前,团队已正式发布水稻单细胞多组学数据库(Rice-SCMR),全球研究者都能从中分析和挖掘改良水稻的“候选靶点”。

“现在有了多器官细胞级图谱,为育种带上了‘显微镜导航’,可实现更精准性状改良。”业内专家评价,这项研究为水稻“智能设计育种”奠定了基础——未来可能通过调控特定细胞,培育出更高产、更抗虫、更耐盐碱的水稻品种。

(单位: 中国农业科学院生物技术研究所)
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