近日，南方科技大学生命科学学院郭红卫讲席教授团队与合作者在顶级期刊Cell发表题为“A spatiotemporal lifecycle atlas decodes spatial coordination in rice”的研究论文，构建了覆盖水稻“种子到种子”全生命周期的3D单细胞时空图谱，为理解水稻发育中细胞类型、空间结构与调控网络的协同关系提供了重要框架。

一粒水稻种子从萌发、扎根、展叶、分蘖，再到抽穗、开花、受精，最终形成新一代种子，这一过程看似平常，实则是一套时空高度编排的发育程序。不同细胞需在既定节点和空间位置形成，开启相应的基因表达模块，彼此协同，才能正确组装出完整的植株。水稻发育阶段的切换与形态建成，既由自身遗传程序驱动，也受激素信号、环境线索和外界刺激影响，能否在恰当时机启动相应发育事件，直接关系到其环境适应与繁殖成效。对水稻发育节奏进行合理调控，对提升水稻产量与品质具有现实意义。然而，长期以来的研究多从单一组织、单一时期或单一组学切入，难以在水稻的整个生命周期上厘清细胞身份、空间定位、时序推进与转录调控之间的耦合关系。作为重要的粮食作物之一，水稻如何在全生育期尺度上统筹细胞类型、器官协同与基因调控网络，仍存在不少研究空白。系统解析其生命周期调控网络、发掘关键发育基因，将为精准调控水稻生长发育、改良产量与品质提供理论支撑和基因资源。

图1.水稻全生命周期3D单细胞时空图谱总览

研究团队依托华大时空组学技术Stereo-seq，结合单核RNA测序（snRNA-seq）及AI驱动的发育轨迹分析和水稻单细胞基础模型RICE scGPT，构建了覆盖水稻“种子到种子”全生命周期的3D时空细胞图谱，进而从单细胞和空间维度阐明了水稻发育过程中细胞命运、组织发育与基因调控的动态耦合机制。

研究团队选取粳稻中花11作为研究对象，运用Stereo-seq对43个关键发育阶段的新鲜组织进行空间转录组测绘，并结合覆盖胚、根、分蘖、叶、花序、小穗、雄蕊、雌蕊、受精组织和种子等10类重要器官/组织等47个发育阶段的单核RNA测序数据，基于空间位置、组织解剖学特征、标志基因表达和单核数据联合分析，注释出119种细胞类型和133个细胞亚型，大幅拓展了对水稻细胞多样性的认知。该图谱不仅可明确不同细胞在组织中的空间分布，还能呈现细胞状态随发育进程发生的动态变化，为理解植物个体如何从单个受精卵发育为完整植株提供了系统性资源。

图2.水稻全生命周期时空图谱

基于水稻全生命周期时空图谱，研究团队进一步重建了自原胚至成熟器官的推断发育轨迹，并绘制了水稻发育过程的全局调控景观。研究结果表明，一批核心转录因子在多种组织和发育轨迹中发挥核心调控作用，但其功能输出会随空间位置和细胞微环境的差异呈现上下文依赖性。以多效性主调控因子OsARF1为例，该因子可在不同细胞空间位置中借助上下文特异调控网络实现功能分化，并参与胚乳营养分配、源库通信等过程。这一发现从空间组学角度为理解植物发育中的多效性现象提供了新视角，也为精准调控复杂农艺性状奠定了理论基础。

此外，研究团队还发现水稻多种器官普遍存在轴向不对称的基因表达格局。在发育的胚乳中，团队首次捕捉到背腹轴基因转录不对称的潜在证据：背侧周缘胚乳偏向碳水化合物代谢与淀粉合成相关基因的富集；腹侧周缘胚乳则更倾向于储藏蛋白合成相关基因的表达。改变此类不对称表达基因，可重塑淀粉与蛋白在背腹区域的积累模式。这一结果不仅为解析水稻种子发育、籽粒灌浆、营养物质空间分配及品质形成提供了新的研究切入点，也表明未来可从空间分区调控入手，探索作物品质改良的新路径。

为促进数据开放共享与领域协作，研究团队搭建了Rice Spatio Temporal Atlas交互式在线平台（https://db.genomics.cn/stomics/rice/），并研发出水稻单细胞基础模型RICE scGPT。该模型以本研究数据与公开水稻单细胞数据为训练基础，可辅助鉴定缺乏明确标志基因的细胞类型，并支持不同来源数据集的快速整合，从而提升水稻单细胞研究的可比性与可复用性。

综上所述，本研究融合华大Stereo-seq高分辨率空间转录组、单核RNA测序与AI大模型，首次构建了覆盖水稻“种子到种子”全生命周期的3D单细胞时空图谱，系统解析了水稻发育过程中细胞身份、空间位置、发育轨迹和调控网络之间的协同规律。研究不仅揭示了OsARF1等关键调控因子在不同空间细胞环境中的功能分化，也揭示了胚乳背腹轴基因转录不对称与淀粉、蛋白空间分配之间的关联。该成果为植物发育生物学、作物性状解析和分子设计育种提供了重要资源与全新思路。

郭红卫课题组研究副教授严维博士，三亚华大生命科学研究院静一、桂月晶博士和秦沐木，崖州湾国家实验室陈琼博士和张瀚博士，华中农业大学陈一帆博士，武汉大学钟意成博士为论文共同第一作者。郭红卫教授，崖州湾国家实验陈凡副主任，华大生命科学研究院徐讯研究员，华中农业大学欧阳亦聃教授，三亚华大生命科学研究院岳震研究员，武汉大学赵鹏教授，中国科学院遗传与发育生物学研究所贾鹏飞高级工程师为论文共同通讯作者。南科大为论文通讯单位。本研究得到了海南省崖州湾种子实验室、崖州湾科技城项目、湖北省基础研究计划、中央高校基本科研业务费和中国农业研究体系专项等基金的资助，以及崖州湾科技城高性能计算平台和植物时空组学联盟（STOC Plant）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.09.023

供稿：生命科学学院

通讯员：李沐涵

主图：丘妍

编辑：任奕霏