Genome biology | 云南大学雷贵杰研究组解析水稻节的单细胞和基因表达全景图

水稻的节（node）连接根系、节间、叶、分蘖等器官，是控制养分运输、积累和分配的关键器官，起着“开关”的作用，对水稻生长发育、品质和产量形成起重要作用。近年来发现了多个在水稻节中起重要作用的矿质元素转运蛋白，但水稻节的细胞类型、转运蛋白基因在节不同组织的系统表达模式等问题还不清楚，限制了水稻节中新的转运蛋白基因的鉴定和功能研究。

近日，云南大学农学院雷贵杰研究组在Genome biology发表了题为Functional characterization of transporter genes in rice node at single-cell resolution through multi-omics technologies的研究论文，该研究综合利用单细胞核测序技术、离子组和空间离子组等技术，解析了水稻节的细胞类型、转运蛋白基因表达模式、矿质元素在节的积累模式及其介导转运蛋白、介导节和根系中柱运输锰的重要新蛋白的功能，为系统深入研究水稻节的功能和挖掘介导养分运输的新基因提供了新的依据。

（1）问题1：节是水稻的重要器官，但其单细胞水平的细胞类型还不清楚。

新发现（图1）：该研究利用单细胞核测序技术，对水稻生殖生长时期的伸长节（节I）进行研究，发现了11种细胞类群（图1A,B）。进一步通过原位杂交和免疫染色等明确了各细胞类型标记基因的组织表达模式，从而首次在单细胞水平明确了水稻节的11种细胞的类型和空间位置（图1C），为深入解析水稻节的结构和功能提供了重要依据。

图1. 利用单细胞组学明确水稻节的细胞类型和分布

（2）问题2：水稻节是运输和分配养分的关键器官，但基因特别是转运蛋白基因在水稻节不同组织的表达模式还缺乏系统的研究。

新发现：该研究利用节单细胞测序数据，系统探明了水稻基因、特别是目前已鉴定的所有转运蛋白基因在节的11种细胞类群的表达模式，为挖掘和研究介导养分运输分配的重要新基因提供了新依据。

（3）问题3：水稻节是积累矿质元素的重要器官，但介导节积累不同元素的模式和基因还不够清楚。

新发现（图2）：该研究利用LA-ICP-MS空间离子组技术，明确了6种元素在节中的空间积累模式。结合节单细胞数据，发现了6个候选基因分别是介导6种元素积累的关键因子，可能主要依赖不同组织细胞的液泡积累矿质元素（图2A）。进一步验证了液泡膜定位的OsMTP1介导节薄壁细胞桥（PCB）特异高积累锌（Zn）的功能（图2B）。基于已有的结果，该研究还总结了节运输、积累和分配锌的模式（图2C）。

图2. 结合空间离子组探明水稻节积累元素的模式和关键基因

（4）问题4：如何利用节单细胞数据挖掘和研究介导元素运输和分配的重要新基因？

新发现（图3）：该研究以MTP家族的10个基因作为研究案例，发现除了OsMTP1外， OsMTP7和OsMTP9在节也具有特异的组织表达模式。利用免疫染色等验证了OsMTP7和OsMTP9在节中的组织表达模式，与节单细胞数据一致。 OsMTP9在水稻根系内外皮层极性定位并外排锰（Mn）的功能已被报道，推测其在节中也参与介导锰分配，但OsMTP7的功能未知。

该研究进一步深入研究了OsMTP7的功能，发现其在节的韧皮部高表达（图3A），还在根系中柱和花药高表达（图3B），介导锰外排，是水稻节分配锰的关键转运蛋白，还是首个报道的在根系中柱介导锰外排和长距离运输重要转运蛋白，对水稻生长、育性、产量形成起重要作用（图3C，D）。基于已有的结果，该研究还总结了水稻根系和节运输和分配锰的模式（图3E）。

图3. 解析水稻节高表达OsMTP7运输锰进而调控生长的功能

云南大学-农学院在读博士生李虎、金慧玲和宁敏为共同第一作者，雷贵杰为通讯作者。日本冈山大学马建锋教授团队为该研究提供了重要指导。云南大学-农学院的多年生稻团队：胡凤益、张石来、邵林、廉小平、以及长江大学-农学院的邓锋林等教授/副教授及研究人员参与了该研究。该研究得到了国家自然科学基金委、云南省科技厅和教育厅、国家重点研发计划、新基石项目、云南大学、湖北洪山实验室等项目的资助。

雷贵杰长期从事作物矿质元素高效利用与抗逆研究及作物遗传育种工作，以通讯/一作身份在Nature Food、Molecular Plant、Genome biology、New Phytologist*3、JIPB等期刊发表研究论文10篇。雷贵杰长期邀请相关领域的博士、博后和青年研究人员加入其课题组。

https://link.springer.com/article/10.1186/s13059-026-04046-6