生物体在其生命周期中通常经历单倍体和二倍体阶段的交替；二倍体孢子体阶段通过减数分裂产生单倍体孢子，而单倍体配子体阶段则产生配子。在受精过程中，雌雄配子融合形成二倍体合子，随后发育为具有特化组织和器官的复杂多细胞生物体。发育生物学中一个基本而长期存在的问题是：这个单细胞如何通过精确协调的分裂和命运特化，产生一个完整、功能性的生物体。解决这一深刻问题仍然是一项重大挑战。因此，构建涵盖整个生命周期（从胚胎发生到生殖）关键植物器官的全面整合图谱，仍然是一项关键但尚未满足的需求。

 

    近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所杨维才团队与国内多家研究单位合作，在Cell在线发表题为A spatiotemporal lifecycle atlas decodes spatial coordination in rice的研究论文。该研究以粳稻品种中花11为材料，结合高分辨率空间转录组、单核RNA测序和人工智能分析，首次构建了覆盖水稻从种子萌发到开花结实全过程的三维时空细胞图谱。该图谱涵盖水稻10个器官和61个发育阶段，定义了水稻生命周期中的119种细胞类型和133种亚型。这些数据将细胞的分子特征与组织中的空间位置相互对应，并呈现不同发育阶段的变化。

 

    研究团队通过多模态整合，使用空间信息感知的深度学习框架构建推断的发育轨迹图，提供从前胚胎期到关键器官成熟的发育轨迹路线图，并识别了与轨迹相关的调控因子。此外，研究发现，关键调控因子OsARF1能够在不同空间和不同发育时期转录表达，从而参与胚乳营养分配等不同的分子调控网络。这为解释“一基因影响多性状”的现象提供了全新的视角。

 

    水稻胚乳是籽粒储藏营养物质的重要组织。研究发现，发育中的胚乳存在精细的“空间分工”：背侧周缘胚乳区域更富集淀粉合成等相关基因，腹侧周缘胚乳区域则更偏向储藏蛋白合成相关基因。进一步研究表明，相关基因的突变可以改变淀粉和蛋白在背腹区域的积累格局。这一发现揭示了器官间广泛的基因表达不对称性，定义了胚乳中一种新的背腹转录不对称性，并说明空间表达模式如何指导组织模式形成和资源分配。

 

    植物器官的发育过程受到高度有序的细胞信号途径的调控，为了进一步表征细胞间通讯动态，研究人员使用PlantPhoneDB绘制了不同发育阶段种子细胞群体之间的细胞-细胞相互作用网络。在种子发育过程中，种皮、胚乳和胚胎通过关键信号肽及其受体，遵循一种高度协调但分阶段的通讯模式。这些发现为研究种子发育过程中的信号调控途径，提供了潜在的配体-受体对资源。

 

    为了让这项成果转化为可持续使用的公共资源，研究团队建立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，并开发了水稻单细胞基础模型RICE scGPT。该模型相当于为农业科研界打造了一个懂水稻细胞的“AI大模型”，利用本研究及公开的水稻单细胞数据训练，可辅助细胞类型注释和不同来源数据集的整合，提高了数据的可比性与复用性。

 

    三亚华大生命科学研究院静一，桂月晶博士，秦沐木，崖州湾国家实验室陈琼博士，华中农业大学陈一帆博士生，南方科技大学严维研究员，武汉大学钟意成博士生，杨维才团队张瀚博士生为论文共同第一作者。崖州湾国家实验室陈凡研究员，基因组多维解析技术全国重点实验室徐讯研究员，华中农业大学欧阳亦聃教授，南方科技大学郭红卫教授，三亚华大生命科学研究院岳震研究员，武汉大学赵鹏教授，中国科学院遗传发育所杨维才团队贾鹏飞高级工程师为论文共同通讯作者。该研究获得海南省种业实验室等项目，以及三亚崖州湾科技城相关项目和高性能计算平台的支持。

 

水稻全生命周期的时空组图谱