Cell：华大时空组学Stereo-seq助力首次构建水稻全生命周期时空细胞图谱

2026 年 10 月 6 日，中国科研团队在国际学术期刊 Cell 在线发表水稻研究成果，首次构建覆盖水稻从种子萌发到开花结实全过程的三维时空细胞图谱，为在个体尺度上理解植物发育提供了重要基础。研究过程中，团队综合运用华大智造时空组学技术（Stereo-seq）与DNBelab C系列单细胞核RNA测序（snRNA-seq），并依托华大智造T7平台完成相关文库测序，最终实现这一突破。

该研究由崖州湾国家实验室联合华大生命科学研究院、华中农业大学、南方科技大学、武汉大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所等十二家科研机构分工协作完成。

图1 水稻全生命周期时空细胞图谱研究总览

水稻全生命周期图谱如何建立

水稻的生长发育涉及不同类型细胞的协同作用。过去，研究人员可以分析某个基因的功能，或观察某一组织、某一发育阶段的变化，但在完整生命周期中，数万个基因在何处、何时参与调控生长发育，仍缺少系统性认识。

此次研究以粳稻品种中花11为材料，整合空间转录组、单核RNA测序、高质量参考基因组和人工智能分析，建立覆盖10类器官或组织、61个发育阶段的图谱。研究团队获取约85万个高质量细胞核的数据，以及约34万个空间数据单元，注释出119种细胞类型和133个细胞亚型。其中，研究团队利用单核RNA测序获得单个细胞核的转录表达谱，并据此划分细胞群。由于部分水稻细胞类型缺乏明确的标记基因，团队进一步结合空间转录组数据、组织影像和解剖学信息，完成了大部分细胞群的类型注释，并刻画了这些细胞类型在不同发育阶段和组织中的空间分布与转录特征。

这张图谱可以理解为一份贯穿水稻生命周期的细胞“时空地图”：不仅呈现不同细胞类型在组织中的分布，也反映基因表达随发育阶段发生的变化。研究还发现，同一细胞类型在不同发育阶段或不同空间位置上，可形成具有不同表达特征的细胞状态。

图2 水稻全生命周期细胞类型与空间单细胞图谱

空间坐标揭示胚乳背腹差异

研究的一项重要发现发生在胚乳内部。胚乳是籽粒储藏营养物质的重要组织。团队发现，发育中的背侧周缘胚乳区域更富集淀粉合成等相关基因，腹侧周缘胚乳区域则更偏向储藏蛋白合成相关基因。进一步研究表明，相关基因的突变可以改变淀粉和蛋白在背腹区域的积累格局。空间信息在胚乳分析中尤为关键。传统细胞学观察和单核RNA测序未能区分背侧周缘胚乳和腹侧周缘胚乳，而高分辨率时空组学技术Stereo-seq提供了区分两者所需的空间位置信息，进一步揭示了胚乳背腹区域不同的转录特征。

这一发现使籽粒营养分配和品质形成的研究进一步深入到胚乳的不同空间区域，为探索更精细的品质调控策略提供了依据。

图3 水稻胚乳背腹轴转录不对称与营养物质空间分配

OsARF1连接空间表达与调控网络

团队研究发现，关键调控因子OsARF1能够在不同空间和不同发育时期转录表达，从而参与胚乳营养分配等不同分子调控网络。这为解释“一基因影响多性状”的现象提供了新的视角。在育种研究中，直接改变一个影响广泛的调控因子，可能同时牵动多个性状；识别更具体的下游调控模块，有望为更有针对性的改良提供研究方向。

图4 OsARF1在不同细胞空间环境中的功能分工

图谱平台与RICE scGPT

团队建立了交互式在线图谱平台，支持基因查询、空间表达展示和比较分析，并开发了水稻单细胞基础模型RICE scGPT。该模型利用本研究及公开的水稻单细胞数据训练，可辅助细胞类型注释和不同来源数据集的整合，提高数据的可比性与复用性。

图5 水稻单细胞基础模型RICE scGPT与交互式在线平台

水稻全生命周期时空细胞图谱将细胞类型、组织位置和发育阶段连接起来，为研究者查询已知基因、筛选候选基因并设计后续功能验证提供了统一的数据资源。交互式平台和RICE scGPT进一步支持基因空间表达查询、细胞类型注释及跨数据集整合，便于相关数据持续使用和比较。

华大水稻研究脉络与Stereo-seq植物案例

从2002年华大科研团队参与完成籼稻基因组工作框架图，到后续联合中国农业科学院、国际水稻研究所等开展“3000份水稻基因组计划”，华大及合作伙伴对水稻的研究逐步从参考基因组拓展至群体遗传多样性。此次研究进一步将观察尺度推进到细胞、空间位置和发育阶段，为理解水稻全生命周期中的基因表达变化提供了新的数据基础。

除本研究外，华大智造时空组学技术Stereo-seq已应用于多种植物和作物研究。以下选取模式植物叶片、植物再生和作物生殖器官发育三个代表性案例，展示空间信息如何服务于不同类型的植物科学问题。

• 拟南芥｜叶片细胞类型：研究基于Stereo-seq建立适用于植物的单细胞空间转录组流程scStereo-seq，在单细胞尺度区分上、下表皮以及栅栏和海绵叶肉等相似细胞类型，并分析其空间表达差异和发育轨迹。 查看案例

• 番茄｜愈伤组织芽再生：研究结合空间转录组与单核转录组数据解析愈伤组织中的细胞类型和状态，并借助Stereo-seq将这些细胞状态定位到组织空间，用于研究芽原基形成和再生过程。 查看案例

• 玉米｜雌穗发育：研究结合单细胞与空间转录组数据构建玉米雌穗发育图谱，单细胞数据用于解析细胞类型，Stereo-seq进一步提供这些细胞在组织中的空间位置信息。 查看案例

这些研究共同指向一个变化：植物研究正在从“有哪些细胞、表达哪些基因”，进一步走向“这些细胞在组织中的什么位置、何时发生变化”。

华大智造时空组学技术Stereo-seq通过保留原位空间坐标，把单细胞层面的分子变化与组织结构和发育过程连接起来，为解析复杂性状形成机制、筛选育种候选靶点提供更具时空依据的研究路径。

三亚华大生命科学研究院静一，桂月晶博士，秦沐木，崖州湾国家实验室陈琼博士，华中农业大学陈一帆博士生，南方科技大学严维研究员，武汉大学钟意成博士生，海南大学张瀚博士生为论文共同第一作者。崖州湾国家实验室陈凡研究员，基因组多维解析技术全国重点实验室徐讯研究员，华中农业大学欧阳亦聃教授，南方科技大学郭红卫教授，三亚华大生命科学研究院岳震研究员，武汉大学赵鹏教授，中国科学院遗传与发育生物学研究所贾鹏飞高级工程师为论文共同通讯作者。研究获得海南省种业实验室等项目，以及三亚崖州湾科技城相关项目和高性能计算平台的支持。

论文与资源论文题目：A spatiotemporal lifecycle atlas decodes spatial coordination in rice

图谱平台：https://db.genomics.cn/stomics/rice/