山东
导 读
10月6日，国际期刊《细胞》在线发表中国12个科研团队合作完成的研究，全球首次构建水稻全生命周期三维时空细胞图谱。 图谱覆盖10类器官或组织、61个发育阶段、约85万个高质量细胞核，注释出119种细胞类型。 团队同时搭建了面向全球研究者的在线数据库，和一个水稻单细胞基础模型。
01
这张图画的是什么
先打个比方。
过去研究水稻的基因，很多时候像看一座城市的“人均收入”。整粒种子、整片叶子磨碎了测，得到的是一个平均数。哪个街区富、哪个街区穷，看不出来。
这次的图谱，相当于把城市里每一栋楼、每一户人家都标在了地图上，而且是从出生到老去的全过程。
研究以粳稻品种中花11为材料，从种子萌发一直追踪到开花结实。参与的有崖州湾国家实验室、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机构的12个科研团队。
用到的技术，是华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq、单细胞建库平台DNBelab C4，再加上人工智能分析。
论文的一位共同第一作者这样形容这张图：
让研究人员拥有了类似“上帝视角”，能看清不同细胞如何相互配合。
图谱的规模 · 覆盖10类器官或组织、61个发育阶段
约85万个高质量细胞核，超过34万个空间数据单元
注释出119种细胞类型、133个细胞亚型
02
一粒米里的分工
图谱带来的第一个发现，就落在我们每天吃的米上。
米饭的主体是胚乳。过去人们大多把它当成一个整体来研究。这次发现，发育中的胚乳里存在明确的“空间分工”：靠近背部的区域，富集的是碳水化合物代谢和淀粉合成相关的基因；靠近腹部的区域，则更偏向储藏蛋白的合成。
研究团队还做了突变实验，结果显示，改变相关基因，会影响淀粉和蛋白在背部、腹部两个区域的积累格局。
淀粉和蛋白怎么分布，关系到米的口感和营养。弄清楚哪个位置的哪些细胞在负责什么，以后的改良就可以更有针对性。
另一个发现是，同一个关键调控因子OsARF1，在不同的空间位置，发挥的作用并不一样。
同一个基因，放在不同的位置，干的可能是不同的活。
03
育种能少走哪些弯路
育种里有一个老难题，叫“顾此失彼”。
想提高产量，改动了一个基因，结果抗病性变差了；想改善口感，结果产量下来了。原因是，一个基因往往同时影响好几个性状，改它就像牵一发而动全身。
有了这张图谱，研究人员能知道某个基因在哪个组织、哪个生长阶段、哪类细胞里起作用。调控时，就可以只针对特定区域下手，而不必改动全局。
研究团队的判断是，这有望开辟一条快速实现高产稳产的精准设计育种路径。
为了让更多人用上这份成果，团队搭建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；还训练了水稻单细胞基础模型RICE scGPT，可以辅助注释细胞类型、整合不同来源的数据。
不过，论文的一位共同通讯作者也说得很清楚：这张图谱还需要结合基因功能、种质材料和田间表现进一步验证，才能真正用到农业生产上。
从图谱到稻田，还有一段路要走。但路标，已经立起来了。
04
二十多年的接力
这张图不是凭空出现的。
2000年，袁隆平院士与华大等机构签署合作协议，开启水稻基因组研究。2002年，水稻籼稻基因组工作框架图发表在《科学》杂志上。
从读出水稻的基因组，到看清每一个细胞里的基因在什么时间、什么位置工作，中国的水稻研究走了二十多年。
这次的研究，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”的项目之一。所谓揭榜挂帅，就是把关键难题列出来，谁有能力谁来攻关。
种子常被称作农业的“芯片”。一个国家的粮食安全，最终要落到种子上；种子的竞争力，又要落到对作物最底层规律的认识上。
全球约一半人口以稻米为主食。看清一株水稻的一生，受益的不只是中国的饭碗。
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