撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

多細胞生物依靠不同細胞類型之間的分工合作，這些細胞類型作為模塊化的構建單元，共同構成復雜的器官。不同器官中相似的細胞類型彼此之間如何關聯以及它們在發育和穩態過程中如何協同作用，在很大程度上仍未得到解決。

近年來，單細胞技術的迅速發展使得對成千上萬個細胞的基因表達和染色質可及性進行詳細表征成為可能。研究人員利用這些技術深入了解了植物器官的組成以及驅動細胞異質性的分子機制，這種異質性對于植物的發育至關重要。之前的研究已經繪制了包括擬南芥、水稻、玉米、大豆和小麥在內的多種植物的多個組織的單細胞轉錄組圖譜，最近的一些研究則繪制了擬南芥、水稻和玉米的單細胞染色質可及性圖譜。然而，這些研究中的大多數都集中于一兩種組織或器官，而對涵蓋多個器官的轉錄圖譜進行系統性比較的工作仍有待完成。此外，最近開發的單細胞多組學技術能夠同時測量基因表達和染色質可及性，然而，到目前為止，全面的單細胞多組學技術尚未在植物中得到應用。

2025 年 7 月 9 日，中國農業科學院生物技術研究所谷曉峰研究員、梁哲研究員作為共同通訊作者，中國農業科學院生物技術研究所博士后王祥宇、博士生李東維、首都醫科大學博士生黃煥偉、華大基因姜三杰、華大研究院康靖民、格致博雅王開來作為共同第一作者，在Nature期刊發表了題為：A single-cell multi-omics atlas of rice（水稻單細胞多組學圖譜）的研究論文。

真核生物細胞的功能由特定的基因表達程序驅動，而這些程序又取決于染色質結構。在這項最新研究中，研究團隊報告了世界上最主要的農作物之一——水稻的單細胞多組學圖譜。

研究團隊通過同時對來自水稻的八個主要器官（根、莖、幼葉、旗葉、莖尖、分蘗芽、幼穗和種子）的 116564 個細胞的染色質可及性和 RNA 表達進行分析，驗證鑒定出 54 個細胞類型，確定了細胞類型特異性的基因調控網絡，并描述了新的細胞狀態，例如花分生組織中的“過渡狀態”，全面解析了水稻在組織層面的功能細胞組成。

基于網絡分析，該研究揭示了水稻發育過程中細胞類型特異性調控樞紐 RSR1、F3H 和 LTPL120 的功能，RSR1：在根皮層中高度特異表達，其突變體的根長顯著增加、皮層細胞體積擴大，發揮負調控作用；F3H：連接碳代謝與氮代謝的樞紐基因，表達于葉肉和根維管，突變體的根短縮、光合能力下降、總氮含量降低，其在碳氮協同中作為關鍵角色；LTPL120：根皮層特異表達，其突變體表現出分蘗數增加、株高變化，是株型優化的潛在基因靶點。

該研究還分析揭示了細胞類型與農藝性狀之間的相關性，以及在進化過程中細胞類型功能的保守性和差異性。

值得一提的是， 為了服務全球科研社區、加速成果轉化， 研究團隊還創建了首個水稻單細胞多組學智能可視化平臺——Rice-SCMR，鏈接：http://www.elabcaas.cn/scmr，該平臺具備以下功能：

• 支持在56 個注釋細胞類型中自由檢索基因表達和染色質開放狀態 ；

• 提供基因調控網絡、擾動模擬預測結果、細胞類型 marker 等可視化瀏覽 ；

• 集成 GWAS 關聯性狀的三維精準定位，實現 “ 基因 - 細胞類型 - 性狀 ” 的智能設計 ；

總的來說，這項研究不僅為一種主要農作物水稻提供了獨特的單細胞多組學資源，還推進了我們對水稻細胞類型功能及其潛在分子程序的理解。

論文鏈接：

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