一张水稻“生命底图”，如何改变我们看待一粒米的方式？｜科学家·马上回答

封面新闻记者 边雪

一粒稻种从萌发开始，扎根、长叶、分蘖、抽穗、开花，最终结出新的种子。这个过程对于人类而言再熟悉不过，但对于科学家来说，它仍然藏着大量没有被看清的细节。

在一株水稻内部，数以万计的基因需要在不同时间被打开或关闭，不同类型的细胞也必须在准确的位置形成、分化并彼此协作。过去，研究人员可以研究一个基因，也可以观察一个组织或者某一个发育阶段，但如果把问题拉长到水稻完整的生命周期，基因究竟在什么时间、什么空间发挥作用，不同细胞又如何共同“组装”出一株完整的水稻，仍然缺少一张系统的“地图”。

这张地图正在出现。10月6日，一项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12家科研机构协作完成的研究，在线发表于国际学术期刊《Cell》。研究团队首次构建了覆盖水稻“种子到种子”全生命周期的三维时空细胞图谱，将基因组、细胞状态、空间位置和发育时间放在同一个研究框架中。

崖州湾国家实验室副主任、首席科学家陈凡将这张图谱形容为一份“带有时间和空间位置的生命信息地图”，在他看来，这项研究试图解决的，正是过去对于水稻完整生命周期缺少系统认识的问题。

从“读基因”到“看生命”

水稻生命科学研究并不是从今天才开始。2002年，籼稻基因组工作框架图发表在《科学》杂志上。此后，随着测序技术、单细胞技术和空间组学的发展，研究人员能够观察到越来越微小的生命活动。此次研究则把观察尺度进一步推进：从一串DNA序列、一个基因或者一个组织，走向细胞、空间和时间共同组成的立体系统。

研究团队选择粳稻品种“中花11号”作为研究对象，利用华大生命科学研究院自主研发的Stereo-seq时空组学技术，并结合单核RNA测序、人工智能驱动的发育轨迹分析等手段，对水稻生命周期展开系统性测绘。

研究团队针对43个关键发育阶段的新鲜组织进行了空间转录组测绘，并整合覆盖47个发育阶段的单核RNA测序等数据，最终建立起覆盖10类器官或组织、61个发育阶段的生命周期图谱。研究共获得851725个高质量细胞核数据和347640个空间数据单元，并注释出119种细胞类型和133个细胞亚型。

数字背后，是研究方式的一次变化。传统的转录组研究可以告诉研究人员某个基因是否表达、表达量发生了怎样的变化，但仅有这些信息，还无法回答“它在哪里表达”。空间转录组提供的，则是基因表达与组织空间位置之间的对应关系；而把不同发育阶段串联起来之后，研究人员看到的就不再是一张静态照片，而是一条从种子到种子的生命轨迹。

陈凡在接受采访时表示，过去研究人员可以分析某个基因的功能，或者观察某一组织、某一发育阶段的变化，但对于完整生命周期中数万个基因“何处、何时”参与水稻生长发育，业界仍缺少系统认识。“此次图谱，将不同细胞类型的空间分布与功能基因随发育阶段的变化对应起来。”陈凡说。

这也意味着，科学家正在尝试回答的不再只是“水稻有哪些基因”，而是“这些基因什么时候工作、在哪里工作，以及它们与周围哪些细胞共同工作”，对于一株复杂的植物而言，这种区别并不只是技术上的升级。

一粒米内部，也不是一片“均匀的白”

这张图谱，最终还是要回到一粒米上，水稻籽粒中，胚乳承担着重要的营养物质储藏功能，淀粉、蛋白质等储藏物质的积累与稻米的营养和食用品质密切相关。肉眼看去，一粒米内部似乎没有明显的区域差异，但在细胞和分子层面，它并不是一个均质的结构。

研究团队发现，发育中的水稻胚乳存在明显的空间分工。背侧周缘胚乳区域更加富集与碳水化合物代谢和淀粉合成相关的基因，而腹侧周缘胚乳区域则更加偏向储藏蛋白合成相关基因。进一步实验显示，改变相关基因后，淀粉和蛋白质在胚乳背腹区域的积累格局也会随之发生变化。

这意味着同一个看起来完整的组织内部，不同位置的细胞实际上可能承担着不同的“生产任务”，也为理解水稻籽粒品质提供了一个新的观察角度。

过去谈到稻米品质，人们更多关注基因、品种或者整体籽粒的性状；而这项研究提示，营养物质如何在一粒米内部被分配，本身也具有明确的空间规律。研究人员因此可以进一步追问：究竟是哪些细胞、哪些区域以及哪些调控网络，决定了淀粉、蛋白等物质最终如何积累。

但这并不意味着一张图谱已经能够直接“制造”出更好吃的水稻。

目前，这项研究更重要的意义，是提供了一个能够继续验证的科学框架。研究团队在论文中将这些发现与作物种子品质改良联系起来，强调其能够为未来的研究提供基础。新华社的报道同样将其表述为“为探索籽粒品质改良提供新的研究资源”。

从“一基因多性状”到“一个基因在不同地方做不同的事”

另一个值得关注的发现，是研究团队对调控因子OsARF1的分析。

在植物研究中，一个基因影响多个性状并不少见，这类现象也增加了育种调控的复杂性。如果直接改变一个作用范围很广的关键基因，可能同时牵动多个生物学过程。因此，一个长期存在的问题是：同一个基因为什么能够在不同的组织和发育阶段产生不同的作用？

此次研究提供了一个新的解释视角。研究团队发现，OsARF1这一多效性调控因子，可以在不同空间位置和发育背景下，通过不同的上下文特异性调控网络发挥作用，并参与胚乳营养分配、源库通信等过程。这说明，同一个基因的功能并不是脱离细胞环境独立存在的。它所在的位置、周围的细胞以及所处的发育阶段，都可能影响它最终产生的功能输出。

对于育种而言，这一变化很重要。过去寻找优良性状相关基因时，一个核心问题是“哪个基因控制这个性状”；未来研究可能还需要继续追问，“这个基因究竟在哪一种细胞里发挥作用”“在什么时候发挥作用”“它通过哪个下游模块影响性状”。

从“改一个基因”，走向对具体细胞、具体空间和具体时间窗口进行更加精细的调控，是这张生命图谱可能打开的一条研究路径，而真正进入新品种培育，还需要经历基因功能验证、遗传材料构建、不同遗传背景和环境条件下验证等一系列过程。

封面新闻记者注意到，除了图谱之外，还有一个“懂水稻细胞”的模型。研究团队搭建了Rice Spatio Temporal Atlas交互式在线平台，支持研究人员进行基因查询、空间表达展示和比较分析。除了图谱之外，研究团队还开发了一个面向水稻单细胞研究的基础模型RICE scGPT。

论文显示，该模型基于此次研究数据及公开水稻单细胞数据训练，可用于辅助细胞类型注释，并支持不同来源单细胞数据集的整合。

研究者可以在平台上查询一个自己感兴趣的基因，看看它在根、叶、花或者种子中的表达情况，也可以比较它在不同发育阶段的变化，再通过实验进行验证。这样一来，一项研究产生的数据就不再只是论文发表时的一组结果，而成为其他研究人员可以继续调用的公共资源。

陈凡指出，水稻全生命周期时空细胞图谱、相关数据库和模型的发布，为研究者独立挖掘基因功能提供了新的思路。论文共同通讯作者、基因组多维解析技术全国重点实验室主任徐讯表示，后续还将结合基因功能、种质材料和田间表现进一步验证，并最终探索其在农业生产中的应用。

“南繁硅谷”的另一种想象

值得注意的是，此次研究并非由一个实验室单独完成，而是由12家科研机构协作完成。研究中既有空间组学和单细胞测序技术，也有基因组、数据分析、人工智能模型和生物学机制验证。不同团队各自承担不同环节，再把数据和研究问题重新整合到一个共同框架中。

这项研究依托的是海南省种业实验室与三亚华大生命科学研究院联合“揭榜挂帅”的“水稻单细胞时空组学研究”项目。中国科学报报道称，在崖州湾国家实验室的顶层设计下，项目采取科企协同攻关模式，基于时空组学等技术，与多个领域优势科研单位合作，在多维组学、数据分析和生物学机制解析等方面开展协同攻关。

长期以来，南繁更多与育种加代、种质创新联系在一起。今天，当单细胞组学、空间组学和人工智能逐渐进入农业科研，南繁所承载的科研活动也开始向生命科学基础研究的更深处延伸。一株水稻，可以从田间被带回实验室，也可以从一粒种子的基因组一路追踪到细胞，再重新回到田间的农艺性状，这条链条正在变得越来越完整。

从2002年的水稻基因组研究，到今天覆盖“种子到种子”的三维时空细胞图谱，中国科学家观察水稻的尺度已经从“基因”进一步走向“细胞”，从静态信息进一步走向“时间+空间”。一粒种子最终长成一株水稻，看起来只是一次自然生长，但在细胞层面，它更像是一场规模庞大的协同工程：不同细胞在不同时间抵达不同位置，开启不同的基因程序，彼此配合，最终完成一株植物的构建。

从“改一个基因”，走向对具体细胞、具体空间和具体时间窗口进行更加精细的调控，是这张生命图谱可能打开的一条研究路径。过去，人们只能看到这项工程的部分环节。现在，科学家尝试把这些环节放进同一张地图，并提供了一个此前缺少的观察框架：当研究人员再面对一个基因、一种细胞或者一种农艺性状时，可以把它重新放回水稻完整的生命历程中寻找答案。