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中国团队给水稻画出全生命周期“细胞地图”,育种能少走哪些弯路

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导 读

10月6日,国际期刊《细胞》在线发表中国12个科研团队合作完成的研究,全球首次构建水稻全生命周期三维时空细胞图谱。 图谱覆盖10类器官或组织、61个发育阶段、约85万个高质量细胞核,注释出119种细胞类型。 团队同时搭建了面向全球研究者的在线数据库,和一个水稻单细胞基础模型。

这张图画的是什么

先打个比方。

过去研究水稻的基因,很多时候像看一座城市的“人均收入”。整粒种子、整片叶子磨碎了测,得到的是一个平均数。哪个街区富、哪个街区穷,看不出来。

这次的图谱,相当于把城市里每一栋楼、每一户人家都标在了地图上,而且是从出生到老去的全过程。

研究以粳稻品种中花11为材料,从种子萌发一直追踪到开花结实。参与的有崖州湾国家实验室、华大生命科学研究院、华中农业大学、南方科技大学、武汉大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所等机构的12个科研团队。

用到的技术,是华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq、单细胞建库平台DNBelab C4,再加上人工智能分析。

让研究人员拥有了类似“上帝视角”,能看清不同细胞如何相互配合。

图谱的规模 · 覆盖10类器官或组织、61个发育阶段

约85万个高质量细胞核,超过34万个空间数据单元

注释出119种细胞类型、133个细胞亚型



02

一粒米里的分工

图谱带来的第一个发现,就落在我们每天吃的米上。

米饭的主体是胚乳。过去人们大多把它当成一个整体来研究。这次发现,发育中的胚乳里存在明确的“空间分工”:靠近背部的区域,富集的是碳水化合物代谢和淀粉合成相关的基因;靠近腹部的区域,则更偏向储藏蛋白的合成。

研究团队还做了突变实验,结果显示,改变相关基因,会影响淀粉和蛋白在背部、腹部两个区域的积累格局。

淀粉和蛋白怎么分布,关系到米的口感和营养。弄清楚哪个位置的哪些细胞在负责什么,以后的改良就可以更有针对性。

另一个发现是,同一个关键调控因子OsARF1,在不同的空间位置,发挥的作用并不一样。

同一个基因,放在不同的位置,干的可能是不同的活。

育种能少走哪些弯路

育种里有一个老难题,叫“顾此失彼”。

想提高产量,改动了一个基因,结果抗病性变差了;想改善口感,结果产量下来了。原因是,一个基因往往同时影响好几个性状,改它就像牵一发而动全身。

有了这张图谱,研究人员能知道某个基因在哪个组织、哪个生长阶段、哪类细胞里起作用。调控时,就可以只针对特定区域下手,而不必改动全局。

研究团队的判断是,这有望开辟一条快速实现高产稳产的精准设计育种路径。

为了让更多人用上这份成果,团队搭建了交互式在线图谱平台,支持基因查询、空间表达展示和比较分析;还训练了水稻单细胞基础模型RICE scGPT,可以辅助注释细胞类型、整合不同来源的数据。

从图谱到稻田,还有一段路要走。但路标,已经立起来了。

二十多年的接力

这张图不是凭空出现的。

2000年,袁隆平院士与华大等机构签署合作协议,开启水稻基因组研究。2002年,水稻籼稻基因组工作框架图发表在《科学》杂志上。

从读出水稻的基因组,到看清每一个细胞里的基因在什么时间、什么位置工作,中国的水稻研究走了二十多年。

这次的研究,是海南省种业实验室与三亚华大生命科学研究院联合“揭榜挂帅”的项目之一。所谓揭榜挂帅,就是把关键难题列出来,谁有能力谁来攻关。

种子常被称作农业的“芯片”。一个国家的粮食安全,最终要落到种子上;种子的竞争力,又要落到对作物最底层规律的认识上。

全球约一半人口以稻米为主食。看清一株水稻的一生,受益的不只是中国的饭碗。

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