2025 年 7 月，中国农业科学院生物技术研究所谷晓峰团队联合国内外力量在《自然》杂志发表重磅成果——成功绘制全球首个覆盖水稻全生命器官的单细胞多组学图谱。这项历时近四年的研究，通过单细胞测序技术对水稻11.3万个细胞进行“精准解剖”，不仅首次解锁了水稻细胞世界的“高清身份证”，更构建起“基因 - 细胞 - 性状”的精准关联通道，为作物智能设计育种装上“微观导航系统”，也为生命科学领域单细胞技术的农业应用树立新标杆。 

 突破技术瓶颈：给11万水稻细胞做“深度体检” 

      作为全球最重要的粮食作物，水稻的根、茎、叶、穗等器官由数十种功能特异的细胞协同构成，但传统研究始终受限于细胞混样测序的瓶颈，无法区分单个细胞的基因表达差异。为打破这一局限，研究团队首先攻克了高质量细胞核分离的核心难题。 

      由于水稻不同器官的细胞结构差异显著（如叶片细胞壁较厚、根系细胞含大量纤维），团队为根、茎、叶、穗、种子等 8 个关键器官定制了专属解离方案，最终从这些器官中分离出 11.3 万个高质量单细胞。借助单细胞多组学技术，团队实现了对每个细胞的“双重画像”：一方面捕获“基因表达档案”（转录组）；另一方面检测“DNA开关状态”（染色质可及性），揭示基因是否具备表达潜力。数据显示，每个细胞平均检测到 1500 余个基因及6.3万余个开放染色质区域，为后续细胞类型鉴定提供了高分辨率数据支撑。经过多维数据分析与原位杂交实验验证，团队最终精准鉴定出 54 种功能各异的水稻细胞类型——从根系负责吸水的表皮细胞、叶片执行光合作用的叶肉细胞，到穗部孕育种子的生殖细胞，每种细胞都被赋予明确的功能标签，完成了水稻细胞层面的首次“人口”普查。

 解锁发育新机制：发现过渡态细胞的“待命密码” 

       在这场微观探索中，团队有了颠覆性发现：水稻花序分生组织中存在一类特殊的过渡态细胞。这类细胞虽未启动 DNA 表达，还没有产生RNA（传统认知中“基因表达即分化”的标志），却已通过调整染色质结构，将关键基因区域提前打开，处于随时待命的状态，直至内外部信号触发才真正启动基因表达。这就像细胞先“收拾好工具间”（染色质激活），再等待“开工指令”（信号触发），是一种“激活→等待→表达”的分步分化机制。这种机制此前仅在动物干细胞中被报道，此次在植物中发现，不仅揭示了细胞分化调控的复杂性，更为理解水稻穗发育的微观过程提供了全新视角——通过调控过渡态细胞的激活时机，未来或可精准控制稻穗数量与发育节奏。 

 利用智能技术赋能：“虚拟敲除”锁定育种精准靶点 

       不同于传统育种试错式的基因筛选，该研究创新性地将单细胞数据与智能算法结合，开发出细胞水平的基因扰动模拟系统，实现了“不做实验先预测” 的高效研究模式。 团队开发利用CellOracle 等算法构建基因调控网络，通过“虚拟敲除”关键基因，模拟其对细胞命运的影响。论文共同第一作者、博士后王祥宇以 RSR1 基因为例介绍：“我们发现 RSR1 在根皮层细胞特异表达，通过模型模拟‘关闭’该基因后，预测根皮层细胞会向表皮、维管细胞转化。后续实验验证显示，rsr1 突变体的根果然更长，且皮层细胞变小、维管细胞变长，与预测吻合。” 为验证系统准确性，团队对251个已知功能的转录因子进行测试，结果显示模型对基因激活/抑制类型的判断准确率达92%。“‘虚拟敲除’最大的价值在于，无需提前构建突变体，就能锁定影响目标性状的关键基因与细胞类型，将传统育种数月甚至数年的筛选周期缩短至数周，大幅降低实验成本。”论文共同通讯作者谷晓峰强调。 此外，团队还通过共表达网络分析，将水稻基因划分为9个功能模块：例如M2模块富集光合作用基因，在叶肉细胞中高度活跃，是水稻的太阳能工厂；M4模块聚焦氮代谢相关基因，主要在根皮层与维管细胞中发挥作用，是养分吸收的核心枢纽。这些模块为解析水稻高产、抗逆等复杂性状的调控机制提供了基因图谱。

 开放平台共享：全球研究者可免费获取 “细胞级导航图”

      目前，研究团队已将所有成果整合至水稻单细胞多组学数据库（Rice-SCMR），向全球研究者免费开放。该平台具备三大核心功能： 

 • 基因功能预测：输入目标基因，即可查看其在 54 种细胞类型中的潜在作用；

 • 性状-细胞关联：结合全基因组关联分析（GWAS）数据，定位控制分蘖数、粒重等农艺性状的关键细胞类型； 

 • 多基因编辑模拟：预测同时编辑多个基因对作物性状的协同影响。 

  “单细胞图谱的核心价值，是打通了‘基因功能’与‘农艺性状’的单细胞水平精准关联通道。”谷晓峰表示，未来研究者可通过该平台共同验证、优化模型，推动水稻育种迈向“细胞设计”——例如通过编辑穗部糊粉层细胞基因改良籽粒大小，调控茎秆厚壁细胞增强抗倒伏能力，甚至培育耐盐碱、高抗虫的新型水稻品种。 业内专家评价，这项研究不仅是水稻基因组学的里程碑，更将单细胞技术与智能育种深度融合，为玉米、小麦等其他作物的研究提供了可复制的技术范式。随着“数字水稻”雏形的建立，作物育种正迎来微观精准调控的新时代。