Genome biology | 云南大學雷貴杰研究組解析水稻節的單細胞和基因表達全景圖

水稻的節（node）連接根系、節間、葉、分蘗等器官，是控制養分運輸、積累和分配的關鍵器官，起著“開關”的作用，對水稻生長發育、品質和產量形成起重要作用。近年來發現了多個在水稻節中起重要作用的礦質元素轉運蛋白，但水稻節的細胞類型、轉運蛋白基因在節不同組織的系統表達模式等問題還不清楚，限制了水稻節中新的轉運蛋白基因的鑒定和功能研究。

近日，云南大學農學院雷貴杰研究組在Genome biology發表了題為Functional characterization of transporter genes in rice node at single-cell resolution through multi-omics technologies的研究論文，該研究綜合利用單細胞核測序技術、離子組和空間離子組等技術，解析了水稻節的細胞類型、轉運蛋白基因表達模式、礦質元素在節的積累模式及其介導轉運蛋白、介導節和根系中柱運輸錳的重要新蛋白的功能，為系統深入研究水稻節的功能和挖掘介導養分運輸的新基因提供了新的依據。

（1）問題1：節是水稻的重要器官，但其單細胞水平的細胞類型還不清楚。

新發現（圖1）：該研究利用單細胞核測序技術，對水稻生殖生長時期的伸長節（節I）進行研究，發現了11種細胞類群（圖1A,B）。進一步通過原位雜交和免疫染色等明確了各細胞類型標記基因的組織表達模式，從而首次在單細胞水平明確了水稻節的11種細胞的類型和空間位置（圖1C），為深入解析水稻節的結構和功能提供了重要依據。

圖1. 利用單細胞組學明確水稻節的細胞類型和分布

（2）問題2：水稻節是運輸和分配養分的關鍵器官，但基因特別是轉運蛋白基因在水稻節不同組織的表達模式還缺乏系統的研究。

新發現：該研究利用節單細胞測序數據，系統探明了水稻基因、特別是目前已鑒定的所有轉運蛋白基因在節的11種細胞類群的表達模式，為挖掘和研究介導養分運輸分配的重要新基因提供了新依據。

（3）問題3：水稻節是積累礦質元素的重要器官，但介導節積累不同元素的模式和基因還不夠清楚。

新發現（圖2）：該研究利用LA-ICP-MS空間離子組技術，明確了6種元素在節中的空間積累模式。結合節單細胞數據，發現了6個候選基因分別是介導6種元素積累的關鍵因子，可能主要依賴不同組織細胞的液泡積累礦質元素（圖2A）。進一步驗證了液泡膜定位的OsMTP1介導節薄壁細胞橋（PCB）特異高積累鋅（Zn）的功能（圖2B）。基于已有的結果，該研究還總結了節運輸、積累和分配鋅的模式（圖2C）。

圖2. 結合空間離子組探明水稻節積累元素的模式和關鍵基因

（4）問題4：如何利用節單細胞數據挖掘和研究介導元素運輸和分配的重要新基因？

新發現（圖3）：該研究以MTP家族的10個基因作為研究案例，發現除了OsMTP1外， OsMTP7和OsMTP9在節也具有特異的組織表達模式。利用免疫染色等驗證了OsMTP7和OsMTP9在節中的組織表達模式，與節單細胞數據一致。 OsMTP9在水稻根系內外皮層極性定位并外排錳（Mn）的功能已被報道，推測其在節中也參與介導錳分配，但OsMTP7的功能未知。

該研究進一步深入研究了OsMTP7的功能，發現其在節的韌皮部高表達（圖3A），還在根系中柱和花藥高表達（圖3B），介導錳外排，是水稻節分配錳的關鍵轉運蛋白，還是首個報道的在根系中柱介導錳外排和長距離運輸重要轉運蛋白，對水稻生長、育性、產量形成起重要作用（圖3C，D）。基于已有的結果，該研究還總結了水稻根系和節運輸和分配錳的模式（圖3E）。

圖3. 解析水稻節高表達OsMTP7運輸錳進而調控生長的功能

云南大學-農學院在讀博士生李虎、金慧玲和寧敏為共同第一作者，雷貴杰為通訊作者。日本岡山大學馬建鋒教授團隊為該研究提供了重要指導。云南大學-農學院的多年生稻團隊：胡鳳益、張石來、邵林、廉小平、以及長江大學-農學院的鄧鋒林等教授/副教授及研究人員參與了該研究。該研究得到了國家自然科學基金委、云南省科技廳和教育廳、國家重點研發計劃、新基石項目、云南大學、湖北洪山實驗室等項目的資助。

雷貴杰長期從事作物礦質元素高效利用與抗逆研究及作物遺傳育種工作，以通訊/一作身份在Nature Food、Molecular Plant、Genome biology、New Phytologist*3、JIPB等期刊發表研究論文10篇。雷貴杰長期邀請相關領域的博士、博后和青年研究人員加入其課題組。

https://link.springer.com/article/10.1186/s13059-026-04046-6