真核生物的細胞功能是由特定的基因表達程序驅動的，這些程序依賴于染色質結構。

2025年7月9日，中國農業科學院谷曉峰、梁哲共同通訊在Nature在線發表題為“A single-cell multi-omics atlas of rice”的研究論文，該研究首次在單細胞水平同步捕獲水稻八個重要器官的RNA表達與染色質可及性狀態，構建了全球首個水稻多器官單細胞多組學圖譜，解析復雜性狀調控的單細胞發育基礎，并通過研發算法實現關鍵基因的高精度定位和智能預測，為水稻設計育種提供了極具潛力的細胞水平特異候選靶點。

多細胞生物依賴于細胞類型之間的分工，這些細胞類型充當模塊化構建塊，產生復雜的器官。不同器官中相似的細胞類型如何相互關聯，以及它們在發育和穩態過程中如何協同工作，在很大程度上仍未得到解決。近年來，單細胞技術的快速發展使得數千個細胞的基因表達和染色質可及性的詳細表征成為可能。我們利用這些技術深入了解了植物器官組成和驅動植物發育所必需的細胞異質性的分子機制。之前的研究已經繪制了各種植物（包括擬南芥、水稻、玉米、大豆和小麥）多個組織的單細胞轉錄組景觀，最近的幾項研究繪制了擬南芥、水稻和玉米中單細胞染色質的可及性。

然而，這些研究大多集中在一兩個組織或器官上，而覆蓋多個器官的轉錄景觀的系統比較仍然很突出。盡管研究了來自多個玉米器官的單細胞染色質可及性，但該數據集缺乏相應的單細胞轉錄組數據，這使得直接比較基因表達和染色質狀態變得困難。少數研究使用了計算方法來整合分別記錄的轉座酶可及染色質（scATAC）和轉錄組數據的植物單細胞測定。這些方法假設不同的測量反映了一個共同的細胞身份，但可能無法恢復一個“組學”層特有的變化。最近開發的單細胞多組學技術現在可以同時測量基因表達和染色質可及性，從而消除了計算錯誤，但到目前為止，全面的單細胞多組學尚未在植物中使用。

水稻器官的單細胞多組學景觀（圖源自Nature）

在這里，研究人員報告了世界主要作物之一水稻的單細胞多組學圖譜。通過同時分析來自八個器官的116564個細胞的染色質可及性和RNA表達，鑒定了細胞類型特異性基因調控網絡，并描述了新的細胞狀態，如花分生組織中的“過渡狀態”。該研究揭示了細胞類型特異性調控中心RSR1、F3H和LTPL120在水稻發育過程中的作用，分析揭示了細胞類型和農藝性狀之間的相關性，以及進化過程中保守和發散的細胞類型功能。總之，該研究不僅構建了全球首個水稻多器官單細胞多組學數據庫，更建立了基因擾動模擬、轉錄因子功能預測、共表達網絡與GWAS整合等智能預測和設計技術，實現了從單細胞到性狀設計的精準對接，為作物智能育種提供了單細胞水平預測設計的新范式與強大工具。

參考信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09251-0#Sec44