2022年2月4日，NEW PHYTOLOGIST在線發表了EON体育4平台/代謝與發育科學國際合作聯合實驗室袁政教授課題組題為“A rice single cell transcriptomic atlas defines the developmental trajectories of rice floret and inflorescence meristems”的研究論文。研究人員利用單細胞測序系統繪製了水稻花序早期發育的動態全景圖🤷🏼‍♂️，重建了水稻小穗👨🏽‍🔬🖊、花和各類生殖分生組織的發育軌跡🧑🏽‍🦰。通過分子和遺傳分析，明確WOX轉錄因子DWT1在調節水稻花分生組織活性中發揮功能👵🏿🔈；證明了生長素轉運蛋白OsAUX1在花序發育中的作用🐕👩🏽‍🎤，為生長素調控水稻花序分枝提供了直接的遺傳證據👩🏼‍⚖️🤽🏻。EON体育4平台博士生宗傑🕊、王麗、朱璐為並列第一作者，袁政教授為通訊作者⌛️。EON体育4張大兵教授🚦，梁婉琪教授、上海市農業科EON4作物育種栽培研究所曹黎明研究員、馬普研究所George Coupland院士等參與了本項研究的實施😝👨🏼‍🌾。

水稻是人類重要的糧食作物之一，在我國糧食生產中占有重要的地位。水稻花序的形態結構是直接決定最終產量的重要農藝性狀之一。水稻花序發育和形態建成包括花序分生組織（IM）、一次和高次枝梗分生組織（BMs）👌🏼，小穗分生組織（SpM）以及花分生組織（FM）等多類生殖分生組織活性的調節、屬性轉換，以及花器官屬性建立和形態建成等發育事件👳🏿‍♀️，受外在環境條件和內在遺傳因子等多方面因素調控。但人們對IM、BMs、SpM和FM之間的形態和分子差異，以及它們在發育中的細胞水平差異仍不甚了解。近年來，多家實驗室使用單細胞RNA測序技術（scRNA-seq）研究了擬南芥🏊🏿‍♂️、玉米🌄、水稻等材料根、莖和葉等組織的細胞特性和異質性，不僅在單細胞分辨率上提供了有價值的轉錄組學信息，還對這些器官的發育軌跡提供了前所未有的見解，也為開展植物花序和花器官的發育軌跡分析提供了新的契機。

該研究以2個含蓋水稻花序早期發育各生殖分生組織轉換、花器官屬性建立等發育過程的樣本S1（花序長度<2mm）🤷🏼‍♂️、S2（花序長度2-3mm）和劍葉（對照）進行了單細胞測序（BD RhapsodyTM❓，上海烈冰）👰🏽‍♂️，獲得了包含37,571個高質量細胞的單細胞轉錄組數據🍝，並將這些細胞分為小穗👏、分生組織🤓🏌🏼‍♀️、花序軸和葉四大細胞類群（圖1）🤵🏽‍♂️。研究人員進一步對小穗、花、分生組織亞群進行了細胞類群鑒定和全面的分析，並通過原位雜交、分子標記轉基因植株和突變體分析驗證了分類的正確性𓀄👨🏻‍🦱。

圖1.水稻花序早期發育模式圖及細胞分類

(a) 水稻花序早期發育模式圖。(b) 實驗流程，展示花序早期發育兩個時期材料的取材🧜、原生質體收集、細胞捕獲、單細胞轉錄組測序和生物信息學分析的工作流程👨🏻‍🦼‍➡️。(c) t-SNE分類算法將花序細胞分為小穗、分生組織、軸👶、葉四大類群👨🏽‍🌾🦹🏿‍♂️。(d) AUROC（area under the receiver operator characteristic curve）分析展示樣本之間的高重復性。

鑒於學者前期在水稻小穗和花發育中已經克隆了較多的調控因子，為細胞分群提供了可用的標記基因。研究人員首先對小穗和花細胞進行了細分研究。其中花的細胞類群可以分為10類，根據分子標記和擬時序分析，研究人員不僅鑒定到護穎（extraordinary glum, eg）、不育外稃（sterile lemma, sl）💆🏿‍♂️🚈、外稃（lemma, le）、內稃（palea, pa）、漿片（lodicule, lo）🦻🏼、雄蕊（stamen）等已知花器官細胞類群🤸🏼‍♀️，還發現了小穗屬性細胞（SIC）🧛🏼‍♀️、FM🙇🏽🕵🏼‍♂️、邊界細胞（boundary）📗、隱性孢片（cryptic bract）等新的細胞類群（圖2）🧑🏻‍🦳。研究人員發現ROC/HDG家族基因在SIC中富集🟨，在擬時序分析結果中位於花器官發育的起點（圖2）。研究還發現🙇🏽‍♂️🏃，WOX類轉錄因子DWT1在FM中高富集8️⃣，是FM的標記基因；遺傳學分析揭示DWT1基因突變的確會造成內稃、漿片屬性和數量的異常，證實DWT1具有調控水稻FM活性的功能（圖2）。

圖2.水稻花細胞類型分類和dwt1突變體表型

(a) 水稻花的UMAP圖，顯示10個花細胞亞分群。紅色和藍色箭頭表示花細胞的兩條發育軌跡：生殖器官（FM、pa🥭、lo⛰、st等花組織）和非生殖器官（cb、le🧚🏼‍♀️、sl, rg等苞葉類附生組織）👨🏿‍🦰。(b) 小穗和花結構示意圖🧙🏿‍♂️。(c) DWT1在FM中高富集👝。(d) 野生型9522小穗的表型。(e) dwt1突變體花表現出內稃異常(e1)或缺失(e2)🧗🏿🧑🏼‍🔬、多雌蕊(e3)、和伸長的穎片狀漿片(e4，e5)等表型📕。

通過擬時序分析🔱，研究人員進一步構建了花發育的兩條途徑，並在單細胞表達組學層面證明水稻“真正的”花是以SIC–FM–pa/lo/st模式發育，而rg、sl、le是苞片狀器官的觀點（圖3）🚼。通過原位結果驗證，ROC/HDG家族基因高度富集的SIC細胞群處於SpM和FM的表皮層（L1），暗示花分生組織L1在花分生組織活性調控和後續發育中發揮重要功能；研究人員由此提出ROC/HDG基因家族可能提供來自FM外層的位置信號🚎，以激活水稻小穗和花啟動的假設（圖3）。

圖3.水稻花細胞擬時序分析和SIC-FM發育模型

(a)和(b) 花細胞的擬時序分析結果🧎🏻‍♂️，顯示FM細胞會發育成花器官🙆‍♂️，包括不含葉屬性細胞的內稃、漿片和雄蕊(a)，和包含葉屬性細胞的護穎、隱性苞片和邊界細胞(b)。(c) 小提琴圖顯示ROC基因在花SIC中富集🏦。(d) ROC1 (d1)👨🏻、ROC3 (d2)的mRNA原位雜交顯示SIC為花序原基表皮細胞。(e) 小穗中SIC🚽、SSC（支撐細胞群）和FM之間關系的模型圖。

研究人員隨後對生殖分生組織再次進行細胞類群細分，將分生組織細胞簇分為花序分生組織、分枝分生組織和小穗分生組織三類，並提供了一系列全新的細胞類型標記基因（圖4）。研究通過擬時序重建了各類生殖分生組織的發育途徑🦶🍳，並確定了四類控製側生分生組織轉變的調節因子💣。研究人員還深入分析了第二類代表基因OsAUX1的表達模式和生物學功能🤾🏼，證實Osaux1突變體花序變小、分枝和小穗數量減少的表型，為生長素調控水稻花序發育提供了直接的遺傳學證據（圖4）🙌🏻。

圖4.水稻花序分生組織細胞類型鑒定和擬時序分析👩🏽‍💻，以及OsAUX1調控花序分枝的表型

(a) 花序分生組織細胞的UMAP圖🕚，分為3種細胞類型：IM、BM🎺、SM。(b) 對分生組織細胞進行擬時序分析🍭，展示了從IM到BM和SM的兩條分化軌跡。(c) 對(b)圖中紅色節點的BEAM分析顯示轉錄因子對分生組織轉化的貢獻分為四大類。(d) OsAUX1基因BEAM分析散點圖🏊🏿😡，表示OsAUX1主要影響IM向BM的分化。(e) OsAUX1在S1時期的原位雜交結果，顯示OsAUX1在BM和SM中表達🈁。(f) 與野生型9522相比，Osaux1-1;4突變體花序顯示較短的分枝和較少的小穗數🏌🏿‍♀️🤎。(g) 與野生型相比，Osaux1-1;4突變體花序的長度變短。

這些研究成果系統繪製了水稻花序早期發育的單細胞圖譜🐨，重建了水稻花和生殖分生組織的發育軌跡，明確了花序發育過程中的一系列重要調控因子並提供了遺傳學證據，為今後解析水稻花序發育的精細過程和分子機製，以及水稻高產育種奠定了良好的基礎🔶⏰。

該項目獲得了國家自然科學基金、雜交水稻國家重點實驗室開放課題、上海市水稻產業技術體系建設、高等學校學科創新引智計劃🦦、EON体育4SMC晨星計劃等項目經費的支持。

論文鏈接👨‍🎤：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18008