東北地理所在水稻種子早期發育單核轉錄組圖譜繪制方面取得新進展
水稻種子早期發育是胚形態建成、胚乳分化及后續籽粒形成的關鍵階段。授粉后3–7天（days after pollination，DAP），胚逐漸建立基本組織結構，胚乳經歷細胞化并進一步分化形成不同功能區域。然而，由于早期種子體積小、組織結構復雜且細胞類型多樣，不同細胞群的分子特征及其發育關系仍缺乏系統認識。近年來，單細胞和單核轉錄組技術的發展，為從細胞類型層面解析水稻種子早期發育提供了新的研究手段。
為系統解析水稻種子早期發育過程中的細胞組成及分子特征，研究團隊利用單核RNA測序（snRNA-seq）技術，對授粉后3、5和7天的水稻穎果進行系統分析，構建了水稻早期種子高分辨率單核轉錄組圖譜。該研究整合胚、胚乳和果皮的組織轉錄組數據，并結合RNA原位雜交和啟動子–GUS染色，對不同細胞群進行系統鑒定和驗證。最終鑒定出淀粉胚乳、糊粉層、腹側糊粉層、胚—胚乳界面、早期胚、胚軸、盾片以及果皮和珠心等細胞群，并獲得一批細胞類型相關標記基因，為后續精細化功能研究提供了重要基礎（圖1）。該研究進一步整合分析了水稻雌蕊及早期種子單核轉錄組數據 (Li et al., 2023)，發現部分母體來源細胞與受精前雌蕊細胞存在明顯轉錄關聯，其中子房壁–果皮細胞、珠心–種子期珠心細胞均表現出連續的轉錄變化。同時，部分珠心細胞中富集了程序性細胞死亡及運輸相關基因，提示母體組織的動態變化可能參與種子發育過程中的物質運輸與營養供給的調控。利用共表達網絡分析（hdWGCNA）發現，部分基因共表達模塊與特定細胞類型呈現顯著關聯，例如淀粉胚乳相關模塊富集了OsbZIP58、OsNF-YA8和OsPUL3等已報道參與胚乳發育的重要調控因子，進一步佐證了單核轉錄組圖譜及細胞類型注釋的可靠性。遺傳學分析進一步顯示，胚軸相關模塊中的FIB基因功能缺失突變體表現出籽粒灌漿異常和胚發育缺陷，表明該圖譜具有挖掘種子發育關鍵調控因子的潛力。
尤為值得關注的是，該研究鑒定出一個轉錄特征獨特的胚—胚乳界面（EEI）細胞群。該群富集大量物質運輸和種子發育相關基因，EEI高表達基因（如OsBZR4、DWT1、MYB73）功能缺失均導致胚發育異常，提示該群可能含有調控胚胎發育的重要分子網絡。聚焦于EEI富集的調控因子OsBZR4，發現OsBZR4缺失后，EEI中多種生長素運輸基因轉錄程序受到損害，同時osbzr4突變體中早期胚細胞群Em-1發育受阻。結合擬時序分析、RNA-seq及CUT&Tag等多組學數據，研究進一步篩選并驗證了早期胚細胞群標記基因OsCDP3.10和RINO1為OsBZR4的潛在下游靶基因。綜上，OsBZR4可能作為EEI調控網絡核心組分，通過維持界面轉錄狀態并調控胚胎發育基因表達，從而促進水稻正常胚發育。
本研究構建了水稻早期種子高分辨率單核轉錄組圖譜，系統解析了胚、胚乳及母體來源細胞群的分子特征，并建立了豐富的細胞類型標記資源。特別是該研究所鑒定的胚—胚乳界面細胞群及其調控特征，為理解胚與胚乳之間的協調發育提供了新的視角。該研究不僅拓展了對水稻種子細胞多樣性和發育過程的認識，也為揭示種子形成機制及改良重要農藝性狀提供了寶貴的資源。
圖1 單核轉錄組圖譜解析水稻早期種子細胞多樣性及特征基因
研究成果以“A single-nucleus transcriptomic atlas reveals distinct cell identities and key regulators of cellular differentiation during early rice seed development”為題，在線發表于國際學術期刊Journal of Integrative Plant Biology。中國科學院東北地理與農業生態研究所已畢業博士劉穎湘（現崖州灣國家實驗室博士后）與在讀博士王浩宇為共同第一作者，卜慶云研究員與王臻昱副研究員為共同通訊作者，趙久海研究員與耿宇副研究員提供了重要指導與幫助。許敏博士（現就職于吉林農業大學）、研究生洪志鵬和邱梓銘參與部分實驗，田曉杰、李秀峰副研究員及李偉強研究員也參與了該項研究。該研究得到了國家自然科學基金-黑龍江省聯合基金項目（U23A20193）和黑龍江省重點研發計劃創新基地項目（JD24A011）的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1111/jipb.70373
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