2025年7月9日23时，中国农业科学院生物手艺研究所谷晓峰团队结合华大基因、美国大学河边分校、海德堡大学、比利时鲁汶大学等国表里多家研究机构，正在《天然》（Nature）颁发题为本研究初次正在单细胞程度同步捕捉水稻八个主要器官的RNA表达取染色质可及性形态，建立了全球首个水稻多器官单细胞多组学图谱，解析复杂性状调控的单细胞发育根本，并通过研发算法实现环节基因的高精度定位和智能预测，为水稻设想育种供给了极具潜力的细胞程度候选靶点，有帮于冲破当前水稻单产增加瓶颈，为加快培育高产优良水稻新品种、保障国度粮食平安供给的理论支持和手艺储蓄。水稻是全球主要的粮食做物之一，提拔其单产一曲是水稻育种的焦点方针。虽然我国水稻单产已高于全球平均程度，但仍仅为全球单产最高国度的60%摆布，存正在显著的提拔空间。近年来，我国水稻单产增加逐步放缓，亟需借帮新兴的测序手艺，加快对换控产量相关性状的环节基因的挖掘，为高产水稻育种供给优良基因资本，从而实现粮食产量的持续不变增加。单细胞测序手艺凭仗其高细胞通量和高分辩率的劣势，为系统性地探究单细胞机制斥地了全新的研究路子，但迄今为止，动物中尚未使用全面的单细胞多组学研究。水稻做为全球最主要的粮食做物，茎、叶、种子等器官的发育取功能。持久以来，通过全基因组、群体遗传、生物学等手段挖掘了主要性状的调控基因和收集，但对于基因正在何种细胞类型中阐扬感化、若何正在单细胞程度参取组织发育取性状构成，尚缺乏系统性认识。本研究团队操纵10x Genomics单细胞多组学（Multiome）平台，正在水稻中初次实现单一细胞程度上同步描绘基因表达取染色质调控形态，正在水稻8个次要器官（根、茎、长叶、旗叶、茎尖、分蘖芽、长穗和种子）获取超11万个细胞的RNA表达取染色质可及性数据，通过度析和大量原位杂交试验验证判定出54个细胞类型，全面解析了水稻正在组织层面的功能细胞构成。研究团队基于细胞程度的表达取染色质消息，开辟了水稻细胞命运扰动模仿算法。通过CellOracle算法正在分歧细胞类型中进行in silico“虚拟敲除”，预测基因扰动后细胞轨迹和形态变化。例如，模仿RSR1基因的敲除，预测到皮层细胞的显著命运改变，并指点后续尝试验证。这一方式为无须通过基因编纂阐发环节基因功能，供给了无效智能预测手段。团队正在单细胞程度上开辟了基于染色质可及性区域DNA序列motif富集度取因子表达趋向相连系的预测流程，可系统区分每个细胞类型中因子是激活型仍是型。这项方式大规模识别了250余个潜正在环节TF的调控模式，以ARF8为例，其motif富集并陪伴表达添加，预测其为激活型因子，取已报道成果高度分歧。这种多组学耦合的智能预测，极大提拔了单细胞程度的调控研究效率取精确性。为了系统水稻分歧细胞类型中基因若何协同工做，我们对单细胞程度的大规模组数据进行共表达收集阐发。这种方式通过计较基因表达模式之间的类似性，将成千上万个基因按照表达动态分成若干模块。每个模块中的基因正在某些细胞类型中呈现出高度分歧的表达趋向，凡是参取同终身物过程或调控通。最终，我们将水稻基因划分为9个共表达模块（M1至M9）。每个模块代表一组功能联系关系的基因协做收集，这种模块化可以或许复杂性状的调控机制，供给理解细胞功能和做物性状的主要线索。此中，M2模块取光合感化、M4取氮代谢亲近相关。每个模块正在细胞类型中的富集程度显著分歧，为挖掘性状联系关系的单细胞代谢调控收集奠基了根本。将水稻群体GWAS成果整合至单细胞分辩率收集，成立“基因-细胞类型-性状”三维精准联系关系图，发觉分蘖数、粒沉、抗病性等核状取特定细胞类型的表达和调控模式高度相关，如分蘖数取分蘖芽细胞、粒沉取种胚细胞、抗病性取叶表皮细胞的精准对应，RSR1：正在根皮层中高度表达，通过模仿敲除预测其为皮层细胞命运节制焦点。尝试证明rsr1突变体根长显著添加、皮层细胞体积扩大，验证其负调控感化。OsF3H：毗连碳代谢取氮代谢的枢纽基因，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，其正在碳氮协同中的环节脚色。LTPL120：根皮层表达，通过GWAS联系关系取单细胞定位发觉其是调控根系取株型的主要因子。突变体表示出分蘖数添加、株高变化，为株型优化供给潜正在基因靶点。为了穗发育，出格是花原基构成的调控机制，我们对始穗期到齐穗期分歧阶段的穗样本（包罗SP3、SP4、SP6和SP8阶段）进行了单细胞双组学的测序，获得了4万多个高质量的细胞核数据。正在穗部发育单细胞轨迹沉建中，研究初次发觉一种此前未被描述的“过渡态细胞”：这类细胞染色质曾经，但RNA表达尚未启动，处于“预备”形态。这种形态提醒发育中存正在“染色质先行激活→基因延后表达”的分化机制，了细胞分化调控的复杂性和条理感，为理解动物发育过程供给了全新的视角。环节因子OsRA2和OsERF82的突变体研究进一步支撑了过渡态细胞的主要性：osra2突变导致籽粒变长、oserf82突变导致籽粒变宽，形态变化间接验证了其正在籽粒发育初期的调控功能。Rice-SCMR的上线为水稻甚至其他做物单细胞研究供给了共享取合做的平台，帮推多组学大数据正在农业育种中的使用。该研究不只建立了全球首个水稻多器官单细胞多组学数据库，更成立了基因扰动模仿、因子功能预测、共表达收集取GWAS整合等智能预测和设想手艺，实现了从单细胞到性状设想的精准对接，为做物智能育种供给了单细胞程度预测设想的新范式取强大东西。中国农业科学院生物手艺研究所博士后王祥宇、博士生李东维、首都医科大学博士生黄焕伟、华大基因姜三杰、华大研究院康靖平易近、格致博雅王开来为本文配合第一做者；梁哲研究员和谷晓峰研究员为配合通信做者。谢上、佟程、凡、胡木樨、李昊倩、李聪、杨立文、大学河边分校丁亦可、格致博雅李尚桐、鲁汶大学王发现、海德堡大学Jan U。 Lohmann传授等参取研究。感激薛红卫传授供给材料支撑。本研究获得了生物育种国度严沉科技项目、国度天然科学基金、地方公益性科研院所根基科研营业费专项资金、欧洲研究委员会协同项目“DECODE”等项目标支撑。