胡培松院士团队联合湖南省水稻研究所等构建了水稻胚芽发育的单细胞转录图谱

近日，我所胡培松院士团队联合湖南省水稻研究所等单位在The Crop Journal在线发表了题为“Single-cell transcriptome sequencing reveals the mechanism regulating rice plumule development”的研究论文，研究人员利用单细胞测序技术，以南方广泛种植的早籼稻品种中嘉早17为材料，研究了萌发2天的种子胚芽中各组织细胞的异质性和表达特性，成功鉴定出水稻胚芽的主要细胞类型，明晰了不同器官或组织的细胞异质性。鉴定出了部分水稻胚芽发育组织中的独特基因表达特性和调控网络。该研究对认识禾本科及单子叶植物幼芽形态建成中的细胞特化和相关调控基因的功能具有重要的参考意义。

种子胚芽是植物地上器官形态建成的关键部位，以拟南芥为代表的多数植物的地上部分全部由其茎尖分生区分化发育而来，而禾本科植物的胚芽组织更加复杂。水稻胚芽包含了胚芽鞘、不完全叶、第一幼叶、第二叶叶原基和茎生长点等众多器官初始结构。单细胞RNA测序是一种在单细胞水平上利用RNA测序对特定细胞群体进行基因表达谱定量的高通量实验技术，能够较好地表征植物中异质细胞群亚群的许多特性，有助于我们描绘复杂组织的细胞分化轨迹等。描述水稻胚芽组织单细胞转录图谱，将为我们更好地理解禾本科植物早期形态建成过程，研究水稻幼苗早生快发提供重要参考。

该研究共在水稻胚芽中鉴定出15个不同细胞类群（cluster），根据已报道的细胞Marker基因对这些细胞类群进行了注释。同时，对cluster-specific基因进行功能聚类，进一步明确了各个cluster的细胞类型与特质功能。此外还发现来自于不同组织的相似细胞类型（如叶原基、第一片不完全叶等的叶肉细胞）被划分为不同类群，表明传统意义上的一些同一类型细胞具有明显区别的基因表达特性，也发现了某些特定的细胞类群同时表达多种组织细胞的Marker基因，如cluster 13同时具有维管束鞘、韧皮和前原形成层的特征。

基于单细胞图谱及注释，该研究鉴定了种子发芽和幼苗生长、发育重要基因的时空表达和调控特征。一些与叶片发育和生长相关的基因，包括ZR1、OSA1和FON1等表现出显著的cluster-specific表达特性，该结果为阐明这些基因的功能提供了参考。此外，还鉴定了许多细胞组织显著特异表达、但功能未知的基因。这些基因为筛选水稻胚芽重要调控因子提供了资源参考。通过对启动子顺式元件和植物激素信号相关基因的鉴定，发现一些重要调控元件（如E-box）几乎在所有cluster-specific基因中都存在；而一些特异性调控元件和激素信号转导基因只在特定的细胞类群中分布。该结果描述了水稻胚芽发育中器官的基因表达时空特征。

图1 ZJZ17胚芽的细胞图谱

（A）细胞类群UMAP图谱。（B）水稻胚芽切片。（C） Marker基因表达特征。（D）部分marker基因的原位杂交图。

该研究得到国家“STI2030”重大项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和湖南省青年科技人才项目的共同资助。我所已毕业博士研究生朱明东副研究员和湖南大学生物学院张蒙副教授为该文第一作者，我所魏祥进研究员和胡培松院士为共同通讯作者。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cj.2024.04.009