“細(xì)胞”一詞的英文原意是“小室”。1665年，羅伯特·虎克首次在顯微鏡下看到了后來被命名為“細(xì)胞”的生物結(jié)構(gòu)。360年來，科學(xué)家對作為生物體基本結(jié)構(gòu)和功能單位的細(xì)胞了解得越來越全面，可以說細(xì)胞幾乎是所有生命過程發(fā)生的重要場所。

細(xì)胞里究竟發(fā)生著什么？以分子形式保存的遺傳信息如何通過細(xì)胞表達(dá)，表現(xiàn)為我們?nèi)庋劭梢姷谋硇吞卣鳎?/p>

近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所研究員谷曉峰聯(lián)合國內(nèi)外團隊，以水稻為研究對象，繪制了全球首個覆蓋水稻全生命器官的單細(xì)胞多組學(xué)圖譜，解析了不同類型細(xì)胞的功能及對復(fù)雜性狀的調(diào)控作用，開發(fā)了單細(xì)胞水平的基因擾動模擬表型變化、基因功能預(yù)測等算法模型，預(yù)測并挖掘出細(xì)胞類型特異的調(diào)控水稻性狀的基因，為水稻設(shè)計育種提供了細(xì)胞水平特異候選靶點。

osltpl120編輯功能缺失后表現(xiàn)為根變長變粗、株高變高、分蘗增多、產(chǎn)量增加。

谷曉峰告訴《中國科學(xué)報》，數(shù)字化是作物智能設(shè)計育種的基礎(chǔ)。當(dāng)把水稻所有的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)都數(shù)字化，就構(gòu)建了一個“數(shù)字水稻”雛形。

相關(guān)研究成果在《自然》雜志發(fā)表，論文評審人指出，這些數(shù)據(jù)及多項分析質(zhì)量較高，將成為水稻基因組學(xué)領(lǐng)域的寶貴資源。

給水稻細(xì)胞做“人口普查”

水稻是全球最重要的糧食作物，其根、莖、葉、種子等器官由不同功能的細(xì)胞類型構(gòu)成，這些細(xì)胞類型對水稻發(fā)育、品質(zhì)與抗性等有獨特的作用，但目前科學(xué)家對細(xì)胞類型的鑒定及功能了解較少。

“水稻的功能基因組研究在作物中領(lǐng)先，這是我們選擇水稻做智能設(shè)計育種的一個主要原因。但水稻單細(xì)胞水平的數(shù)據(jù)不足限制了對精準(zhǔn)調(diào)控的研究。”論文通訊作者谷曉峰說，傳統(tǒng)方法無法解析基因在不同細(xì)胞類型中的特異性調(diào)控，而單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)讓水稻細(xì)胞層面的“精準(zhǔn)解剖”成為了可能。

“過去沒有這項技術(shù)，只能把所有的細(xì)胞類型都混在一起測序，尋找功能基因，比如怎么保證產(chǎn)量，怎么從一個細(xì)胞慢慢發(fā)育成肉眼看到的穗或者種子。”谷曉峰說，該團隊從水稻的根、莖、葉、穗、種子等八大器官中分離出11萬多個單細(xì)胞，首次同步捕獲了每個細(xì)胞的“基因表達(dá)檔案”（轉(zhuǎn)錄組）和“DNA開關(guān)狀態(tài)”（染色質(zhì)可及性），并通過多維分析和原位驗證，最終鑒定出54種功能各異的細(xì)胞類型，這相當(dāng)于給水稻做了一次史無前例的“細(xì)胞人口普查”。

rsr1編輯功能缺失后會導(dǎo)致皮層細(xì)胞和維管細(xì)胞變小、表皮細(xì)胞數(shù)目減少表型。

谷曉峰團隊花了近4年時間完成這項工作。技術(shù)實施面臨的首要挑戰(zhàn)是高質(zhì)量細(xì)胞核分離，不同器官需要定制化的解離方案。

最終，該團隊獲得11.3萬個高質(zhì)量單細(xì)胞，每個細(xì)胞平均檢測到1500多個基因和6.3萬多個開放染色質(zhì)區(qū)域，這是運用雙組學(xué)技術(shù)同步捕獲同一細(xì)胞信息獲得的成果。54種細(xì)胞類型覆蓋了根、莖、葉、穗等器官，為理解水稻的發(fā)育機制提供了新的認(rèn)知。

引人注意的是，研究人員首次發(fā)現(xiàn)了水稻分生組織中的“過渡態(tài)細(xì)胞”。傳統(tǒng)上認(rèn)為“基因表達(dá)即分化”，論文共同通訊作者、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所研究員梁哲告訴《中國科學(xué)報》，他們發(fā)現(xiàn)了一種植物細(xì)胞分化的潛在模式。

在水稻穗發(fā)育中，有一類細(xì)胞還沒有開始產(chǎn)生RNA，基因也尚未表達(dá)，就已經(jīng)通過改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，將關(guān)鍵基因區(qū)域打開，使其處于一種“隨時待命”的狀態(tài)，但真正的RNA表達(dá)卻明顯滯后。

這意味著分化過程可能并非單一依賴基因表達(dá)的啟動，即細(xì)胞先通過“染色質(zhì)激活”準(zhǔn)備好轉(zhuǎn)錄環(huán)境，然后等待內(nèi)外部發(fā)育信號觸發(fā)基因的真正表達(dá)。類似的機制在動物干細(xì)胞和某些發(fā)育系統(tǒng)中也有報道，說明這是一種普遍存在的調(diào)控策略。

“這種‘激活→等待→表達(dá)’的分步機制讓細(xì)胞能快速響應(yīng)變化信號，使發(fā)育過程更靈活且精細(xì)，為后續(xù)的基因表達(dá)和細(xì)胞命運決定奠定基礎(chǔ)。這一發(fā)現(xiàn)揭示了細(xì)胞分化調(diào)控的復(fù)雜性和層次感，為理解植物發(fā)育過程提供了全新的視角。”梁哲說。

實現(xiàn)“細(xì)胞尺度”的性狀精準(zhǔn)改良

“現(xiàn)在的研究可以為水稻智能設(shè)計育種進(jìn)入細(xì)胞類型的維度，例如精準(zhǔn)調(diào)控表皮或維管細(xì)胞的基因，提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。”谷曉峰說，這次構(gòu)建的多組學(xué)單細(xì)胞數(shù)據(jù)庫為智能設(shè)計育種奠定了基礎(chǔ)。

他們利用CellOracle等智能算法，在單細(xì)胞層面“虛擬敲除”關(guān)鍵基因，預(yù)測基因缺失后細(xì)胞的命運軌跡會發(fā)生什么變化。

論文共同第一作者、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所博士后王祥宇介紹，判斷預(yù)測準(zhǔn)確性的主要標(biāo)準(zhǔn)就是預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)中實際突變體表型是否高度一致。

舉例來說，RSR1是水稻中一個負(fù)調(diào)控淀粉合成基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子。“我們發(fā)現(xiàn)該基因在根的皮層細(xì)胞中特異表達(dá)。通過虛擬敲除，模擬在根中敲除RSR1基因的變化，即在模型里‘假裝’這個基因被關(guān)閉，從而預(yù)測它在特定細(xì)胞類型中對細(xì)胞命運軌跡的影響。”

osf3h編輯功能缺失后表現(xiàn)為葉長縮短、維管變小、類囊體變稀疏表型。中國農(nóng)科院供圖

在實際操作中，CellOracle首先結(jié)合單細(xì)胞表達(dá)和染色質(zhì)狀態(tài)，推斷出每個基因在細(xì)胞內(nèi)可能的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；然后通過模擬關(guān)鍵基因缺失，重建細(xì)胞的發(fā)育軌跡，并預(yù)測細(xì)胞如何從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)向另一種狀態(tài)。

預(yù)測結(jié)果顯示，根皮層細(xì)胞會向其他細(xì)胞類型轉(zhuǎn)變，尤其是向表皮和維管細(xì)胞轉(zhuǎn)變。

而在實驗驗證中，rsr1突變體的根變得更長，但皮層細(xì)胞體積明顯變小，維管細(xì)胞明顯變長，表皮細(xì)胞數(shù)目減少。

“這個例子直接驗證了預(yù)測的準(zhǔn)確性。”王祥宇說，“虛擬敲除”顯著提升了研究效率，預(yù)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性通過大規(guī)模驗證已知功能基因得到確認(rèn)。研究團隊選取251個已報道功能的轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行測試，通過與已報道轉(zhuǎn)錄因子功能對比，模型對其激活或抑制類型的判斷準(zhǔn)確率達(dá)到92%。

此外，通過對比預(yù)測結(jié)果和突變體的真實表現(xiàn)，研究者未來能不斷優(yōu)化調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型，形成“預(yù)測→驗證→修正→再預(yù)測”的循環(huán)，大幅提高關(guān)鍵基因篩選的效率和準(zhǔn)確性。

谷曉峰強調(diào)，這種基于單細(xì)胞數(shù)據(jù)的虛擬敲除策略，不需要制作突變體，就能提前鎖定最有可能影響目標(biāo)性狀的基因，大大縮短了實驗周期又降低了成本，同時能系統(tǒng)性地探索不同基因在特定細(xì)胞類型中的功能，為作物精準(zhǔn)改良提供有力工具。

從實驗室到田間的“智能設(shè)計”

然而，單個基因的精準(zhǔn)研究不是研究人員的最終目標(biāo)。為系統(tǒng)揭示水稻不同細(xì)胞類型中基因如何協(xié)同工作，他們進(jìn)一步對單細(xì)胞水平的大規(guī)模轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行了共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析。

“這種方法通過計算基因表達(dá)模式之間的相似性，將成千上萬個基因根據(jù)表達(dá)動態(tài)分成若干模塊。每個模塊中的基因在某些細(xì)胞類型中呈現(xiàn)出高度一致的表達(dá)趨勢，通常參與同一生物過程或調(diào)控通路。”梁哲說，最終他們將水稻基因劃分為9個共表達(dá)模塊（M1至M9）。每個模塊代表一組功能關(guān)聯(lián)的基因協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，這種模塊化能夠揭示復(fù)雜性狀的調(diào)控機制，提供理解細(xì)胞功能和作物性狀的重要線索。

論文共同第一作者、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所博士研究生李東維說，M2模塊富含大量參與光合作用的基因，這些基因在葉肉細(xì)胞中特別活躍，說明它們彼此協(xié)同，形成葉片高效完成光合反應(yīng)所需的基因網(wǎng)絡(luò)。

而M4模塊聚焦與氮代謝相關(guān)的基因，這些基因在根的皮層細(xì)胞和維管細(xì)胞中表達(dá)量最高，說明這些細(xì)胞是氮吸收、同化和運輸?shù)暮诵膱?zhí)行者。

M7模塊包含調(diào)控激素信號和應(yīng)答的基因，這一模塊在分生組織細(xì)胞中表現(xiàn)突出，揭示它們在維持分生組織活性和生長調(diào)控中的關(guān)鍵作用。

“通過這種共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，我們不僅能發(fā)現(xiàn)功能基因的組合模式，還能了解它們?nèi)绾卧诓煌?xì)胞類型中形成特定功能的‘基因聯(lián)盟’。這種模塊化視角讓我們能從整體上理解水稻生長發(fā)育、營養(yǎng)利用和逆境響應(yīng)等復(fù)雜性狀是如何在細(xì)胞層面實現(xiàn)的。”李東維說。

谷曉峰解釋道，水稻根尖皮層細(xì)胞就像“營養(yǎng)倉庫”，負(fù)責(zé)運輸和儲存養(yǎng)分；而葉肉細(xì)胞中的M2模塊基因則是“太陽能工廠”，主攻光合作用。通過單細(xì)胞水平的研究，現(xiàn)在能精準(zhǔn)定位每種細(xì)胞的“職能”。

谷曉峰告訴記者，整套研究成果已經(jīng)整合至全球科學(xué)家可免費使用的Rice-SCMR平臺，實現(xiàn)了三大創(chuàng)新功能：研究者輸入目標(biāo)基因即可預(yù)測其在54種細(xì)胞類型中的功能影響；通過關(guān)聯(lián)GWAS數(shù)據(jù)，能定位控制分蘗數(shù)、粒重等性狀的關(guān)鍵細(xì)胞類型；用戶還可模擬多基因協(xié)同編輯效果。

“單細(xì)胞多組學(xué)圖譜的核心價值在于打通了基因功能與農(nóng)藝性狀的單細(xì)胞水平精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)通道，數(shù)據(jù)開放是領(lǐng)域發(fā)展的基石。”谷曉峰強調(diào)，全球研究者可共同驗證和優(yōu)化模型。從虛擬敲除到網(wǎng)絡(luò)解析，智能設(shè)計正將作物育種帶入“細(xì)胞設(shè)計”的新軌道。

來源: 中國科學(xué)報