Nature | 全球首个水稻单细胞多组学图谱的构建

2025年7月，中国农业科学院谷晓峰等人，在Nature发表了题为“A single-cell multi-omics atlas of rice”的文章。该研究对水稻8个器官中的116,564个细胞同时进行染色质可及性和RNA表达谱分析，构建了首个水稻单细胞多组学图谱，解析了细胞类型特异的基因调控网络。

研究主要发现：

1.鉴定 56个细胞簇，注释54种细胞类型，发现新型细胞状态(如花分生组织的"过渡态")。

2.揭示关键调控因子：RSRI(根发育)、OsF3H(碳氮代谢)、OsLTPL120(植株结构)。

3.发现细胞类型与农艺性状(如产量、抗逆性)的关联。

4.比较单子叶/双子叶植物进化保守性：血管和表皮细胞基因程序高度保守，碳氮代谢路径快速分化。

该研究首次整合水稻8个器官的单细胞转录组和染色质可及性数据，揭示了细胞类型特异的基因表达与染色质状态关联，并利用单细胞多组学评估 scRNA-seq与 scATAC-seq数据的配对精度，发现预测准确性在器官间差异显著(冠根38%，旗叶82%)，与测序深度及器官发育动态密切相关。

图1.单细胞多组学图谱

在稻穗发育的花分生组织中，研究人员发现“过渡态”细胞(染色质开放但分化相关基因低表达)，其基因富集于果实成熟、花粉管导向等功能；并通过单细胞共表达网络(CEN)、基因调控网络(GRN)扰动模拟与农艺性状整合分析，鉴定了RSR1、OsF3H和OsLTPL120等在水稻发育中起关键作用的基因。

RSRI ：通过调控根皮层细胞发育影响根系结构(突变体根长增加)。

OsF3H：突变导致光合缺陷和碳氮代谢紊乱(叶绿体类囊体结构异常)。

OsLTPL120：缺失提升分蘖数和产量(皮层细胞增大)。

图2. 水稻花序发育过渡态细胞的鉴定

图3.OsF3H和OsLTPL120基因功能鉴定

该研究整合GWAS数据，分析细胞类型与农艺性状之间的相关性，并建立"基因-细胞类型-性状"三维精准关联图。研究发现，淀粉品质、次生代谢和抗逆性等性状与特定细胞类型的表达和调控模式高度相关，如淀粉品质与种子胚芽细胞相关，次生代谢与抽穗期性状与叶肉细胞相关，生物胁迫抗性与叶表皮相关，非生物胁迫抗性与茎表皮相关，产量构成与分蘖芽柱头细胞相关等。

图4.基因-细胞类型-性状关联分析图

比较了水稻与玉米(单子叶)、拟南芥(双子叶)等作物的根细胞发育基因表达，发现跨物种保守表达模式(如跨膜运输、生长素响应)，但碳氮代谢相关基因在单子叶与双子叶植物间表达差异显著。

图5.跨物种根细胞类型的进化保守性验证

该研究创建了首个水稻单细胞多组学图谱，整合了116,564个细胞的表观基因组与转录组数据，系统解析了水稻细胞类型的分子特征、调控网络及与农艺性状的关联补了作物单细胞多组学研究的空白，为水稻功能基因组学和分子设计育种奠定基础。