一粒稻種，從發(fā)芽到長出稻穗的整個過程，其內(nèi)部就像一座龐大且精密的超級工廠，成千上萬的細(xì)胞，有的負(fù)責(zé)長根，有的負(fù)責(zé)結(jié)?！鼈冃枰谡_的時間和位置分工協(xié)作。

過去，科研人員難以看清水稻內(nèi)部的詳細(xì)運作情況?，F(xiàn)在，這一認(rèn)知盲區(qū)被打破。崖州灣國家實驗室聯(lián)合華大生命科學(xué)研究院、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、南方科技大學(xué)、武漢大學(xué)、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所等12家科研機構(gòu)，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，為理解水稻生長發(fā)育、探索籽粒品質(zhì)改良提供了新的研究資源。相關(guān)論文成果10月6日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》。

科研人員以粳稻品種“中花11號”為材料，整合華大生命科學(xué)研究院自主研發(fā)的時空組學(xué)技術(shù)、單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)、高通量基因測序儀等，建立了涵蓋水稻10類器官或組織、61個發(fā)育階段的圖譜。其間，科研人員獲取了超過85萬個高質(zhì)量細(xì)胞核數(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。

這些數(shù)據(jù)將水稻細(xì)胞的分子特征與空間位置相互對應(yīng)，并呈現(xiàn)出不同發(fā)育階段的變化。有了這張“高清地圖”，科研人員可以觀察到不同細(xì)胞如何“打配合”并“拼裝”出一株完整水稻。

據(jù)介紹，該項科研突破與人們的餐桌息息相關(guān)。例如，大米主要是水稻的胚乳，它決定了米飯的口感和營養(yǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，看起來渾然一體的胚乳，其內(nèi)部細(xì)胞有著極其精細(xì)的“空間分工”，靠近“背部”處富集碳水化合物代謝和淀粉合成相關(guān)基因；靠近“腹部”處則更偏向于儲藏蛋白合成相關(guān)基因。此外，同一個關(guān)鍵調(diào)控因子，在不同的細(xì)胞空間環(huán)境里，也發(fā)揮著不一樣的功能。這意味著，未來科學(xué)家想要培育更好吃或更有營養(yǎng)的水稻，可以對照圖譜制定更有針對性的空間分區(qū)調(diào)控策略。

結(jié)合研究成果，科研人員還開發(fā)了水稻單細(xì)胞基礎(chǔ)模型，后續(xù)可供更有效識別、比較和復(fù)用數(shù)據(jù)，為關(guān)鍵基因挖掘和定向育種探索，提供重要研究線索。