我国科学家绘出水稻“细胞级地图”，为育种装上“微观导航”

来源：光明网

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。

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。（光明网记者 宋雅娟）