中新網(wǎng)三亞10月7日電 (張月和)記者從7日在三亞舉行的南繁硅谷第一張生命底圖——崖州灣“揭榜掛帥”聯(lián)合攻關(guān)成果新聞發(fā)布會上了解到，來自崖州灣國家實驗室、華大生命科學(xué)研究院等機(jī)構(gòu)的12個科研團(tuán)隊分工協(xié)作，首次構(gòu)建了覆蓋水稻從種子萌發(fā)到開花結(jié)實全過程的三維時空細(xì)胞圖譜，整合了基因組、細(xì)胞發(fā)育階段與空間轉(zhuǎn)錄組信息，為在個體尺度上理解植物發(fā)育提供了重要基礎(chǔ)。

　　相關(guān)成果6日晚在國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)在線發(fā)表。崖州灣國家實驗室副主任、首席科學(xué)家陳凡說，水稻的生長發(fā)育涉及不同類型細(xì)胞的協(xié)同作用。過去，研究人員可以分析某個基因的功能，或觀察某一組織、某一發(fā)育階段的變化，但在完整生命周期中，數(shù)萬個基因在何處、何時參與調(diào)控生長發(fā)育，業(yè)界仍缺少系統(tǒng)性認(rèn)識。

　　此次研究以粳稻品種中花11為材料，整合了華大生命科學(xué)研究院自主研發(fā)的時空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq、單細(xì)胞建庫平臺DNBelab C4、高通量基因測序儀T7和人工智能分析，建立了覆蓋10類器官或組織、61個發(fā)育階段的圖譜。研究團(tuán)隊獲取了超85萬個高質(zhì)量細(xì)胞核的數(shù)據(jù)，以及超過34萬個空間數(shù)據(jù)單元，注釋出119種細(xì)胞類型和133個細(xì)胞亞型。

　　“這張圖譜可以理解為一份帶有時間和空間位置的生命信息地圖?！标惙舱f，它既呈現(xiàn)了不同細(xì)胞類型在組織中的分布，也反映了功能基因表達(dá)隨發(fā)育階段發(fā)生的變化，幫助研究者將分子層面的信息與水稻宏觀的生長過程聯(lián)系起來。

　　研究的一項重要發(fā)現(xiàn)發(fā)生在胚乳內(nèi)部。胚乳是籽粒儲藏營養(yǎng)物質(zhì)的重要組織。團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，發(fā)育中的胚乳存在精細(xì)的“空間分工”：背側(cè)周緣胚乳區(qū)域更富集淀粉合成等相關(guān)基因，腹側(cè)周緣胚乳區(qū)域則更偏向儲藏蛋白合成相關(guān)基因。

　　團(tuán)隊進(jìn)一步研究表明，相關(guān)基因的突變可以改變淀粉和蛋白在背腹區(qū)域的積累格局。

　　這一發(fā)現(xiàn)使籽粒營養(yǎng)分配和品質(zhì)形成的研究，進(jìn)一步深入到了胚乳的不同空間區(qū)域，為探索更精細(xì)的品質(zhì)調(diào)控策略提供了科學(xué)依據(jù)。

　　此外，團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵調(diào)控因子OsARF1能夠在不同空間和不同發(fā)育時期轉(zhuǎn)錄表達(dá)，從而參與胚乳營養(yǎng)分配等不同的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這為解釋“一基因影響多性狀”的現(xiàn)象提供了全新的視角，在育種研究中，直接改變一個影響廣泛的調(diào)控因子，可能同時牽動多個性狀；識別更具體的下游調(diào)控模塊，有望為定向改良提供研究方向。

　　為了讓這項成果轉(zhuǎn)化為可持續(xù)使用的公共資源，團(tuán)隊建立了交互式在線圖譜平臺，支持基因查詢、空間表達(dá)展示和比較分析，并開發(fā)了水稻單細(xì)胞基礎(chǔ)模型RICE scGPT。該模型相當(dāng)于為農(nóng)業(yè)科研界打造了一個懂水稻細(xì)胞的“AI大模型”，利用本研究及公開的水稻單細(xì)胞數(shù)據(jù)訓(xùn)練，可輔助細(xì)胞類型注釋和不同來源數(shù)據(jù)集的整合，提高了數(shù)據(jù)的可比性與復(fù)用性。

　　陳凡表示，水稻全生命周期時空細(xì)胞圖譜及相關(guān)數(shù)據(jù)庫、模型的發(fā)布，為研究者獨立挖掘基因功能提供了一條全新思路。研究者可以查看關(guān)注的基因在不同組織和發(fā)育階段中的表達(dá)情況，再結(jié)合實驗開展功能驗證。這不僅為全球?qū)W者提供了寶貴的公共資源，也開拓了植物全生命周期研究的新路徑。

　　據(jù)悉，此次研究所依托的“水稻單細(xì)胞時空組學(xué)研究”項目，是海南省種業(yè)實驗室與華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合“揭榜掛帥”項目之一?？破舐?lián)合“揭榜掛帥”協(xié)同攻關(guān)模式，是海南于2022年推出的以企業(yè)為主導(dǎo)、市場應(yīng)用為導(dǎo)向的種業(yè)發(fā)展創(chuàng)新機(jī)制，旨在通過科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)合作，針對市場所需的種業(yè)“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)難題開展攻關(guān)，加快科研成果快速轉(zhuǎn)化。(完)