當你吃下一碗米飯時，或許不會想到，這顆顆米粒的背后，藏著“上億個”形態各異、分工明確的水稻細胞。近日，中國農業科學院生物技術研究所的科研團隊在《自然（Nature）》雜志發表研究成果：他們繪制出全球首個水稻多器官單細胞多組學圖譜，就像為水稻細胞世界繪制了一套“高清導航圖”，首次能在單個細胞層面“看清”水稻多器官的生長密碼。

給11萬個水稻細胞“拍身份證”：從模糊群像到清晰特寫

水稻是我國主要的糧食作物，一根稻穗、一片葉子甚至一條根尖，都是由無數細胞“搭積木”般構建而成。但長期以來，科學家們觀察水稻細胞就像看“集體合影”——只能看到細胞群體的大致模樣，卻分不清每個細胞的獨特身份和功能。

為了給水稻細胞“拍身份證”，科研人員選取了水稻的根、莖、葉、穗等8個關鍵器官，對其中11.6萬個細胞進行了“深度體檢”：通過先進的單細胞測序技術，同步分析每個細胞里的RNA表達（相當于細胞的“工作記錄”）和染色質可及性（相當于基因表達的“開關狀態”）。

經過細致分析和原位雜交實驗驗證，他們精準識別出54種水稻細胞類型。比如根里負責吸收水分的表皮細胞、葉片中制造養分的葉肉細胞、穗部孕育種子的生殖細胞等，每種細胞都有了明確的“功能標簽”。

發現細胞世界的“神秘過渡者”，破解生長密碼

在這場“細胞普查”中，科學家們有了意外發現：在水稻花序分生組織里，存在一種特殊的“過渡態”細胞。

這類細胞染色質已經開放，但RNA表達尚未啟動，處于“轉化準備”狀態。提示發育中存在“染色質先行激活→基因延后表達”的分化機制，揭示了細胞分化調控的復雜性和層次感，更易于理解水稻發育過程。

“這就像發現了細胞世界的‘十字路口’，為稻穗精準控制發育提供了選擇。”中國農業科學院生物技術研究所研究員、團隊首席谷曉峰介紹，這一發現為理解水稻穗形成的微觀機制提供了新視角。

不僅如此，通過構建細胞類型特異的“基因調控網絡”并結合“虛擬敲除”模擬實驗，團隊還揪出了多個“關鍵指揮官”：

RSR1基因：在根的皮層細胞中“發號施令”，負責調控根系發育，讓水稻更穩地“扎根”土壤；

F3H基因：在維管細胞中協調“碳氮代謝”，就像細胞里的“營養調度員”平衡水稻的能量合成與養分利用；

LTPL120基因：在分蘗部位影響水稻的分枝數量和株型，直接關系到每畝地能長多少稻穗。

從細胞特性到糧食產量：育種有了“精準靶點”

這場微觀世界的探索，還架起了“細胞特性”與“宏觀農藝性狀”之間的橋梁。

科研團隊將單細胞數據與全基因組關聯分析（GWAS）結合，發現很多影響水稻產量、品質的農藝性狀，都能追溯到特定細胞類型。比如，籽粒大小與穗部的“糊粉層細胞”活性相關，抗倒伏能力由莖稈的“厚壁細胞”發育狀態決定。

“這就像找到了影響水稻高矮胖瘦的具體細胞‘開關’。” 谷曉峰解釋，未來育種可以像“精準調控燈泡亮度”一樣，通過編輯特定細胞里的基因，定向改良水稻性狀。

研究還對比了水稻與玉米、擬南芥等植物的細胞功能，發現不同物種中，負責吸收養分的表皮細胞、運輸物質的維管細胞等基礎細胞類型，其功能機制高度相似（保守性）；但與產量直接相關的生殖細胞等，則在進化中形成了獨特“技能”（多樣性）。這為跨作物育種提供了參考。

目前，團隊已正式發布水稻單細胞多組學數據庫（Rice-SCMR），全球研究者都能從中分析和挖掘改良水稻的“候選靶點”。

“現在有了多器官細胞級圖譜，為育種帶上了‘顯微鏡導航’，可實現更精準性狀改良。”業內專家評價，這項研究為水稻“智能設計育種”奠定了基礎——未來可能通過調控特定細胞，培育出更高產、更抗蟲、更耐鹽堿的水稻品種。（光明網記者 宋雅娟）