上海
撰文丨王聪
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
多细胞生物依靠不同细胞类型之间的分工合作，这些细胞类型作为模块化的构建单元，共同构成复杂的器官。不同器官中相似的细胞类型彼此之间如何关联以及它们在发育和稳态过程中如何协同作用，在很大程度上仍未得到解决。
近年来，单细胞技术的迅速发展使得对成千上万个细胞的基因表达和染色质可及性进行详细表征成为可能。研究人员利用这些技术深入了解了植物器官的组成以及驱动细胞异质性的分子机制，这种异质性对于植物的发育至关重要。之前的研究已经绘制了包括拟南芥、水稻、玉米、大豆和小麦在内的多种植物的多个组织的单细胞转录组图谱，最近的一些研究则绘制了拟南芥、水稻和玉米的单细胞染色质可及性图谱。然而，这些研究中的大多数都集中于一两种组织或器官，而对涵盖多个器官的转录图谱进行系统性比较的工作仍有待完成。此外，最近开发的单细胞多组学技术能够同时测量基因表达和染色质可及性，然而，到目前为止，全面的单细胞多组学技术尚未在植物中得到应用。
2025 年 7 月 9 日，中国农业科学院生物技术研究所谷晓峰研究员、梁哲研究员作为共同通讯作者，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、格致博雅王开来作为共同第一作者，在Nature期刊发表了题为：A single-cell multi-omics atlas of rice（水稻单细胞多组学图谱）的研究论文。
真核生物细胞的功能由特定的基因表达程序驱动，而这些程序又取决于染色质结构。在这项最新研究中，研究团队报告了世界上最主要的农作物之一——水稻的单细胞多组学图谱。
研究团队通过同时对来自水稻的八个主要器官（根、茎、幼叶、旗叶、茎尖、分蘖芽、幼穗和种子）的 116564 个细胞的染色质可及性和 RNA 表达进行分析，验证鉴定出 54 个细胞类型，确定了细胞类型特异性的基因调控网络，并描述了新的细胞状态，例如花分生组织中的“过渡状态”，全面解析了水稻在组织层面的功能细胞组成。
基于网络分析，该研究揭示了水稻发育过程中细胞类型特异性调控枢纽 RSR1、F3H 和 LTPL120 的功能，RSR1：在根皮层中高度特异表达，其突变体的根长显著增加、皮层细胞体积扩大，发挥负调控作用；F3H：连接碳代谢与氮代谢的枢纽基因，表达于叶肉和根维管，突变体的根短缩、光合能力下降、总氮含量降低，其在碳氮协同中作为关键角色；LTPL120：根皮层特异表达，其突变体表现出分蘖数增加、株高变化，是株型优化的潜在基因靶点。
该研究还分析揭示了细胞类型与农艺性状之间的相关性，以及在进化过程中细胞类型功能的保守性和差异性。
值得一提的是， 为了服务全球科研社区、加速成果转化， 研究团队还创建了首个水稻单细胞多组学智能可视化平台——Rice-SCMR，链接：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 ；
总的来说，这项研究不仅为一种主要农作物水稻提供了独特的单细胞多组学资源，还推进了我们对水稻细胞类型功能及其潜在分子程序的理解。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09251-0
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