鲲羽生物助力顶刊发表| IF:45.1| Cell：时空生命周期图谱解析水稻的空间协同机制

中文题目：时空生命周期图谱解析水稻的空间协同机制

期刊名：Cell

发表时间：2026年10月

IF：45.1

作者单位：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

鲲羽生物提供的产品：MiP-seq®靶向空间组技术

样本类型：水稻种子（石蜡切片）

2026年10月，崖州湾国家实验室陈凡教授联合华大研究院及华中农业大学、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多家单位在《Cell》发表题为《A spatiotemporal lifecycle atlas decodes spatial coordination in rice》的研究论文。研究综合运用捕获空间转录组、snRNA-seq 单核转录组、 鲲羽生物MiP-seq®靶向空间组、无间隙 T2T 参考基因组、RICE scGPT 单细胞基础模型、AlphaFold3 和 PlantPhoneDB 等技术，构建了覆盖水稻“种子到种子”全生命周期、10 个器官 61 个阶段的 3D 时空单细胞图谱，系统解析了发育轨迹、细胞类型、空间不对称、细胞间通讯和营养分配。其中，研究团队利用鲲羽生物的MiP-seq®靶向空间组技术在 7 DAP 水稻种子切片中对胚乳背腹关键基因的原位表达进行了验证，直接证实了 OsYUC11 在背侧外周胚乳（DPE）、OsGluB6 在腹侧外周胚乳（VPE）的空间表达梯度，为“背侧淀粉、腹侧蛋白”分区积累模型提供了关键原位证据。该研究将转录调控、空间位置和系统生理连接起来，为理解高等植物如何由单细胞构建完整个体提供了多尺度框架。

一、研究背景

高等植物从单细胞受精卵发育为完整个体，依赖细胞自主的转录程序与非细胞自主的位置信号（激素梯度、信号肽等），协同调控细胞分化与组织空间模式的形成。植物细胞命运很大程度上由空间位置决定，而非严格克隆谱系，这一空间调控的理论基础可追溯至 Wolpert 的位置信息理论和 Gierer、Meinhardt 的自组织图案模型。因此，如何在全生命周期尺度上捕捉“时间—空间—细胞状态”的协调关系，是发育生物学的长期核心问题。

传统 bulk 测序会掩盖细胞异质性，经典原位杂交只能提供静态、低通量的局部信息。scRNA-seq/snRNA-seq 可推断发育轨迹，却丢失了细胞在组织中的原始位置；空间转录组可保留组织原位表达，但其分辨率、灵敏度以及对稀有细胞鉴定仍有限，且植物标记基因数据库的不完善也会限制细胞类型注释的准确性。水稻是单子叶模式作物和主粮，其种子发育中胚、胚乳、种皮之间的通讯、源库调控及组织不对称性，均需要高分辨率空间基因表达信息。因此，亟需构建覆盖水稻“种子到种子”全生命周期的多尺度时空图谱。

二、研究内容

1. 构建水稻全生命周期多尺度时空整合图谱与 RICE scGPT 基础模型

研究以常规粳稻 ZH11 为研究材料，结合 PacBio HiFi、ONT和Hi-C 组装出无间隙 T2T 参考基因组；依托snRNA-seq和捕获空间转录组技术，覆盖水稻43个、47个关键发育阶段，最终获得 851,725 个细胞核与347,640 个空间 bin，注释出119 种细胞类型和 133 种细胞亚型，覆盖萌发、分蘖、根、叶、花序、雄蕊、雌蕊、受精和种子成熟的全生命周期。研究搭建了可公开查询的水稻时空图谱数据库 Rice Spatio Temporal Atlas，并整合自主测序数据与 590,573 个公共水稻单细胞数据，构建专属水稻单细胞基础模型RICE scGPT。该模型在细胞类型注释、批次校正、聚类和跨数据集整合方面优于 Geneformer 等同类方法，可适配快速新数据整合分析，为水稻及植物单细胞研究提供了通用工具。

2. 重构水稻发育轨迹，解析 OsARF1 的空间多效调控机制

基于MEDR深度算法，研究构建了跨 8条发育子系统的推断发育轨迹图谱，筛选得到58 组有效发育关联通路和 7 条关键生物学连接通路。在 1,530 个转录因子中，发现 662 个发育状态特异性 TF，其中 OsARF1 关联 6 条发育子轨迹，表现出多效调控特征。通过 Spatial Context Decoder 预测OsARF1在不同发育生态位中调控的靶模块，并在根和胚乳两个不同发育生态位中加以验证：OsARF1 可直接结合并激活 OsCIF2、OsSWEET14、OsGS1;2 启动子，分别调控根系发育、蔗糖运输和氮素同化。OsARF1 突变体表现萌发延迟、根系发育异常、分蘖增多、穗和雄蕊变长、小穗增大等多重表型，证明其多效性功能依托不同组织的空间特异性调控模块实现。

3. 揭示种子发育的空间协调机制，阐明胚乳背腹不对称分化规律

研究在水稻授粉后5–15天的发育种子中鉴定到一种全新的瞬态细胞类型 EAS（胚乳邻近盾片区域）。EAS定位于胚乳—胚的交界区域，富集糖代谢、氮同化、氨基酸运输和生长素信号通路关键基因，包括OsSUS4、OsSWEET14、OsSWEET15、OsGS1;2、OsGS1;3、OsAAP4、OsAUX3、OsGSTF12 等，可通过调控蔗糖、谷氨酰胺转运和生长素信号传导，介导胚乳与胚胎间的营养供给与信号交流。细胞轨迹分析提示，EAS是暂时性细胞群体，完成种子发育调控功能后，最终可转化为淀粉胚乳（SE）。

捕获空间转录组进一步分析揭示，授粉后5–8 天外周胚乳存在明显的背腹分化特征，可划分为背侧外周胚乳（DPE）与腹侧外周胚乳（VPE）。其中DPE区域富集碳水化合物代谢、糖酵解及淀粉合成相关基因（OsYUC9、OsYUC11），主导籽粒淀粉积累；VPE区域则富集OsGluB6等谷蛋白、醇溶蛋白贮藏蛋白基因，负责蛋白沉积。为在组织原位验证空间表达模式，研究采用鲲羽生物MiP-seq®靶向空间组技术，对7 DAP的ZH11水稻种子石蜡纵切切片开展检测。原位结果与捕获空间转录组分析结果高度吻合，明确OsYUC11特异性高表达于DPE，OsGluB6富集于VPE。同时完成淀粉合成相关区域特异性基因的空间共定位验证，有力证实胚乳背腹转录不对称特征，凸显MiP-seq®靶向空间组在连接单细胞/空间转录组发现与组织原位分子验证之间的关键价值。此外，突变体表型验证进一步支撑该机制：osyuc11突变体呈现粉质胚乳，淀粉粒结构疏松；osglub6突变体胚乳背腹淀粉粒均紧密排布，贮藏蛋白背腹分布差异完全消失，上述结果充分证实水稻胚乳“背侧富集淀粉、腹侧积累蛋白”的空间分配模型，为稻米品质改良提供了新的理论支撑。

4. 构建种子发育细胞通讯网络，解析信号肽与受体互作
  研究系统梳理了11个家族的97个植物小信号肽和678个受体蛋白，利用AlphaFold3结构预测筛选出4,932个高置信度配体—受体互作关系，并结合PlantPhoneDB构建种子发育时序性细胞通讯网络。分析显示，种子细胞间信号互作存在显著时空差异：1–3 DAP主要为种皮与胚乳间的信号交流，支撑种皮早期发育；5–15 DAP为信号互作峰值时期，胚与EAS、SA等关键细胞类群通讯最为活跃，是调控种子快速生长分化的核心时期。研究重点验证了DVL家族肽ZH05G00870与其受体OsER2的功能，二者在早期胚和胚乳中同步广泛表达，并呈现相似的空间表达模式；体外实验证实其可直接相互作用。zh05g00870与oser2突变体均表现出粒重、种子尺寸下降表型，oser2突变体还表现出穗型变小、结实率降低等缺陷，表明该配体—受体是介导胚—胚乳协调发育、调控种子性状的关键核心元件。此外，CLE、RTFL/DVL、RALF和PSK等肽家族可能通过不同的受体组合，介导种子不同细胞类型间的精准通讯，为后续解析水稻种子多组织互作提供了丰富候选分子资源。

三、研究总结

  本研究首次构建了覆盖水稻“种子到种子”全生命周期的三维时空单细胞图谱，系统解析了水稻细胞发育轨迹、细胞类型分化、组织空间不对称、细胞间通讯和营养分配调控机制。关键发现包括：明确多效因子OsARF1依托不同发育环境中调控特定的下游靶模块实现功能分化；鉴定出介导胚乳-胚营养与信号交流的的瞬态细胞群EAS；揭示了胚乳存在背腹转录不对称规律，搭建了种子发育阶段性（淀粉与蛋白的分区积累）、网络化（配体—受体网络）的细胞通讯调控体系。

空间转录组技术目前已成为解析发育时空动态的重要手段。在本研究中，捕获型空间转录组技术无偏挖掘胚乳背腹分化特征与关键功能基因；鲲羽生物MiP-seq®靶向空间组技术凭借高特异性、高灵敏度、多靶标同步检测的优势，在7 DAP的ZH11种子切片中原位验证OsYUC11、OsGluB6的背腹特异性表达模式。二者构成了“全景无偏发现 + 靶向原位验证”的互补研究策略，将组学层面的靶标基因初步筛选结果进一步组织原位实证与高清解析，极大提升了胚乳空间分配模型的科学性与可靠性。

同时，研究公开发布的水稻时空图谱数据库与自主研发的RICE scGPT单细胞基础模型，为水稻功能基因组学研究、跨批次数据整合分析提供了重要公共平台。总体而言，该工作打通了基因转录调控、空间位置信息和植株系统生理的关联，阐明了高等植物单细胞分化为完整个体的多维度时空调控机制，也为水稻复杂农艺性状解析、品质定向改良与分子设计育种提供了全新理论基础与技术支撑。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0092867426011256

鲲羽生物自主研发的MiP-seq®空间多组学技术不仅可用于单细胞精度空间组学图谱的构建，同时可实现 DNA/RNA/Protein 多层次生物分子空间分布的原位验证。其具有灵敏度高、特异性强、可多重检测，以及靶标灵活定制、兼容多种物种与组织类型等技术特色。通过创新的SMART panel设计，实现了更精准、更高效、更便宜的靶向空间组学检测，成为发表单细胞测序或其他空间组学高分文章不可或缺的验证“CP”。凭借这些优势，鲲羽生物的空间多组学技术可为植物发育生物学、作物改良、病虫害防治等领域提供更加灵活、多用的工具。