一粒种子，是怎么在泥土里发芽、抽穗，最后长成你碗里那口香喷喷的米饭的？

在这个过程中，水稻内部成千上万的细胞，就像一个极其庞大且精密的超级工厂。谁负责长根？谁负责结粒？它们需要在正确的时间、正确的位置干对活儿。

过去，科学家很难看清这个工厂内部的详细运作。但现在，这个盲区被打破了。

2026年10月6日，崖州湾国家实验室、华大生命科学研究院、华中农业大学、南方科技大学、武汉大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所等机构，首次构建了覆盖水稻从种子萌发到开花结实全过程的三维时空细胞图谱，为理解水稻生长发育、探索籽粒品质改良提供了新的研究资源。相关研究成果在线发表于国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）。

Cell官网截图

研究总览

让水稻的生命地图有时间也有位置

观察一株水稻，我们肉眼能够看到根、叶、花和籽粒，却难以看清内部细胞是如何分工协作的。

过去，受限于技术，科学家在研究细胞时，往往会丢失它们在植物体内的原始位置信息。我们只知道水稻拥有哪些基因，却很难看清它们具体潜伏在哪个角落发挥作用，进而更精准地指导农艺性状的改良与定向育种。

为了打破这个盲区，研究团队以粳稻品种中花11为材料，基于华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq、单细胞建库平台DNBelab C4、高通量基因测序仪T7和人工智能分析，构建了覆盖10类器官或组织、61个发育阶段的水稻全生命周期时空图谱。其中，空间转录组测绘覆盖43个关键发育阶段，单核RNA测序覆盖47个发育阶段；注释出119种细胞类型和133个细胞亚型。这些数据将细胞的分子特征与组织中的空间位置相互对应，并呈现不同发育阶段的变化。

有了这张高清地图，研究人员就像拥有了上帝视角，可以看到不同细胞是怎么相互打配合，最终拼装出一株完整水稻的。

水稻全生命周期细胞类型与空间单细胞图谱

一粒米内部隐藏着怎样的分工

这项硬核的科研突破，与我们普通人的餐桌息息相关。水稻的胚乳是我们吃的大米的主要部分，它决定了米饭的口感和营养。本次研究有个有意思的发现，看起来浑然一体的胚乳，其内部细胞其实存在极其精细的“空间分工”。

在靠近背部的地方，富集碳水化合物代谢和淀粉合成相关基因；而在靠近腹部的地方，则更偏向储藏蛋白合成相关基因。进一步的突变实验表明，相关基因的改变能够影响淀粉和蛋白在背腹区域的积累格局。

不仅如此，科研团队还发现，同一个关键调控因子（如OsARF1），在不同的细胞空间环境里，发挥的功能也不尽相同。

这些发现，将籽粒营养分配的问题细化到了具体空间区域，这意味着未来科学家想要培育更好吃、或是更有营养的水稻，不再只是参考整粒种子的平均数据，而是可以拿着这张地图，探索更有针对性的空间分区调控策略，实现“指哪打哪”。

水稻胚乳背腹轴转录不对称与营养物质空间分配

从一项研究成果到可持续使用的公共资源

这项研究形成的成果，不仅是一篇论文，还包括可供全球研究者使用的数据库与水稻单细胞基础模型。

团队建立了一个交互式在线平台Rice Spatio Temporal Atlas，整合单细胞和空间组学数据，支持基因查询、空间表达展示和比较分析。研究者能够围绕自己关注的基因，查看其在不同组织和发育阶段中的表达情况，从中寻找进一步验证的方向。

结合本研究与公开数据，研究团队还开发了水稻单细胞基础模型RICE scGPT，相当于为农业科研界打造了一个懂水稻细胞的AI大模型。它可辅助缺乏明确标志基因的细胞类型注释，并支持不同来源数据集的快速整合，帮助研究者更有效地识别、比较和复用细胞数据，为后续的关键基因挖掘和定向育种探索，提供重要的研究线索。

有了这些分析入口，育种专家们如虎添翼。以前想要改良水稻的某个特点，可能会因为直接改变全局基因而影响多个性状；现在借助图谱和模型，专家们有望进行定向优化，大大减少“顾此失彼”的不利连锁反应。当然，要将这些理论应用到最终的农业生产中，还需要结合基因功能、种质材料和田间表现进一步验证。

结合高质量的T2T基因组，与覆盖全生命周期的时空及单细胞数据，这项研究实现了多维度生命信息的全链条贯通，为植物发育研究开辟了全新范式，也为更多作物的性状研究提供了重要的方法借鉴。开放资源的意义，正在于让不同团队能够在同一基础上提出新问题，持续发掘数据中的价值。

水稻单细胞基础模型RICE scGPT与交互式在线平台

跨越26年的科研接力，在海南结出硕果

这项成果的背后，是一场长达26年的科研接力。

2000年，袁隆平院士、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员朱立煌与华大集团董事长汪建签署水稻基因组合作协议，华大由此拉开了水稻基因组研究的序幕。2002年，水稻籼稻基因组工作框架图成果发表于《科学》（Science）。此后，华大联合中国农业科学院、国际水稻研究所等开展“3000份水稻基因组计划”，通过大规模重测序，将对水稻的研究从参考基因组进一步拓展至群体遗传多样性。如今，研究的观察尺度进一步延伸至细胞、空间位置和发育过程，为从更精细的时空维度理解水稻全生命周期提供了新的视角。

此次研究正是这一探索在时空单细胞层面的进一步推进。此次研究所依托的“水稻单细胞时空组学研究”项目，是海南省种业实验室（原崖州湾种子实验室）与三亚华大生命科学研究院联合“揭榜挂帅”项目之一，由崖州湾国家实验室副主任（原海南省种业实验室执行主任）陈凡研究员牵头，汇聚海内外12个科研团队参与。项目把植物发育研究与多组学技术、数据分析相结合，为全生命周期尺度的联合研究提供了组织基础。

这次成果的诞生，既依赖长期积累的技术平台，也离不开不同学科团队对科学问题的共同探索。

从基因组图谱，到全生命周期时空细胞图谱，随着图谱、模型和数据库被更多团队使用，这些积累有望转化为源源不断的新发现，为作物品质改良和育种创新提供更扎实的科学依据。未来，中国科学家对一粒米的极致探索，仍在继续。

三亚华大生命科学研究院静一，桂月晶博士，秦沐木，崖州湾国家实验室陈琼博士，华中农业大学陈一帆博士生，南方科技大学严维研究员，武汉大学钟意成博士生，海南大学张瀚博士生为论文共同第一作者。崖州湾国家实验室陈凡研究员，基因组多维解析技术全国重点实验室徐讯研究员，华中农业大学欧阳亦聃教授，南方科技大学郭红卫教授，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。研究获得海南省种业实验室等项目，以及三亚崖州湾科技城相关项目和高性能计算平台的支持。