Nature | 中国农科院生物所联合中外团队构建水稻多器官单细胞多组学图谱，解析细胞类型对重要性状调控作用|中国农科院生物所|性状|染色质|水稻多器官|皮层|细胞

7月9日，中国农业科学院生物技术研究所联合华大基因、加州大学河滨分校、海德堡大学、鲁汶大学等国内外多家研究机构在Nature发表了题为A single-cell multi-omics atlas of rice的研究论文。该研究在单细胞水平同时捕获水稻多个重要器官的RNA表达与染色质可及性状态，构建了首个水稻多器官单细胞多组学图谱，解析了细胞类型的功能及对复杂性状调控作用，预测并挖掘出细胞类型特异的调控水稻性状的基因，为水稻设计育种提供了细胞水平特异候选靶点。

水稻是全球最重要的粮食作物，其根、茎、叶、种子等器官有不同的功能的细胞类型构成，这些细胞类型对水稻发育、品质与功抗性等有独特的作用。这些细胞类型的鉴定及其功能目前基本是未知的。

研究团队利用单细胞多组学（Multiome）技术，在水稻中单细胞水平上同步对基因表达（RNA）与染色质(ATAC)进行了测序，在水稻8个主要器官（根、茎、幼叶、旗叶、茎尖、分蘖芽、幼穗和种子）中共获取超11万个细胞的RNA表达与染色质可及性数据，通过分析和大量原位杂交试验验证鉴定出54个细胞类型，首次在水稻多个组织进行了全面的细胞类型鉴定及深入数据挖掘。

图1 水稻56个细胞类型单细胞图谱

基于细胞水平的表达与染色质开放信息，对水稻细胞命运扰动进行了“虚拟敲除”模拟，预测了基因扰动后细胞轨迹和状态变化。例如，通过模拟RSR1基因的敲除，预测了其对皮层细胞的显著命运改变，并经过了实验验证。这一方法分析关键基因对细胞发育的功能，提供了智能预测手段。同时，在单细胞水平上基于染色质可及性区域DNA序列motif富集度与转录因子表达趋势，预测了每个细胞类型中转录因子是激活型还是抑制型。

图2 水稻细胞命运扰动模型

对单细胞转录组数据进行共表达网络分析，将基因根据表达动态分成若干模块，每个模块中的基因在某些细胞类型中呈现出高度一致的表达趋势。每个模块代表一组功能关联的基因协作网络，比如M2模块与光合作用、M4与氮代谢密切相关。每个模块在细胞类型中的富集程度显著不同，为挖掘性状关联的单细胞调控网络提供了基础。

图3 基于scRNA数据的hdWGCNA共表达网络构建

通过将水稻群体GWAS结果和单细胞数据进行整合分析，发现了“细胞类型-性状”的潜在关系，发现分蘖数、粒重、抗病性等核心性状与特定细胞类型的表达和调控模式高度相关，如分蘖数与分蘖芽细胞、粒重与种胚细胞、抗病性与叶表皮细胞的精准对应。

图4 性状-细胞类型关联图谱

依托单细胞共表达网络与扰动模拟预测，作者挖掘出细胞类型特的调控水稻发育性状的三个基因：

RSR1：在根皮层中高度特异表达，通过模拟敲除预测其为皮层细胞命运控制的基因。实验证明rsr1突变体根长显著增加、皮层细胞体积扩大，验证其负调控作用。

OsF3H：碳代谢与氮代谢的枢纽基因，表达于叶肉和根维管，osf3h突变导致根短缩、光合能力下降、总氮含量降低，揭示其在碳氮协同中的关键角色。

LTPL120：根皮层特异表达，通过GWAS关联与单细胞定位发现其是调控根系与株型的重要因子。突变体表现出分蘖数增加、株高变化，为株型优化提供潜在基因靶点。

进一步对穗早期到齐穗期不同阶段的穗样本（包括SP3、SP4、SP6和SP8阶段）进行了单细胞多组学测序。首次发现了分生组织中的“过渡态细胞”，揭示其在细胞命运决定中的关键作用，为理解植物发育过程细胞的动态变化提供了新视角。关键转录因子OsRA2和OsERF82的突变体研究进一步支持了过渡态细胞的重要性：osra2突变导致籽粒变长、oserf82突变导致籽粒变宽，形态变化直接验证了其在籽粒发育初期的调控功能。

图5 穗发育新模型

另外，作者开发并上线了Rice-SCMR（Rice Single-Cell Multi-omics Resource）平台（http://www.elabcaas.cn/scmr）。该平台具备以下功能：

支持在56个注释细胞类型中自由检索基因表达和染色质开放状态；
提供基因调控网络、扰动模拟预测结果、细胞类型marker等可视化浏览；
集成GWAS和性状的关联分析。

Rice-SCMR的上线为水稻乃至其他作物单细胞研究提供了共享与合作的平台，助推多组学大数据在农业育种中的应用。

图6 水稻单细胞多组学可视化数据平台

综上所述，该研究构建了首个水稻多器官单细胞多组学图谱，通过基因扰动模拟、转录因子功能预测、共表达网络与GWAS整合等智能预测技术，实现了从单细胞功能的深度解析，为作物智能育种提供了单细胞水平的工具。

谷晓峰研究员和梁哲研究员为共同通讯作者，中国农业科学院生物技术研究所王祥宇、李东维、首都医科大学黄焕伟、华大基因姜三杰、华大研究院康靖民、格致博雅王开来为本文共同第一作者；谢上、佟程、刘超凡、胡桂花、李昊倩、李聪、杨立文、加州大学河滨分校丁亦可、格致博雅李尚桐、鲁汶大学王发明、海德堡大学Jan U. Lohmann教授等参与研究。感谢薛红卫教授提供材料支持。本研究得到了生物育种国家重大科技项目，国家自然科学基金，中央公益性科研院所基本科研业务费专项资金，欧盟ERC项目“DECODE”等项目的支持。