水稻种子早期发育是胚形态建成、胚乳分化及后续籽粒形成的关键阶段。授粉后3–7天（days after pollination，DAP），胚逐渐建立基本组织结构，胚乳经历细胞化并进一步分化形成不同功能区域。然而，由于早期种子体积小、组织结构复杂且细胞类型多样，不同细胞群的分子特征及其发育关系仍缺乏系统认识。近年来，单细胞和单核转录组技术的发展，为从细胞类型层面解析水稻种子早期发育提供了新的研究手段。

为系统解析水稻种子早期发育过程中的细胞组成及分子特征，研究团队利用单核RNA测序（snRNA-seq）技术，对授粉后3、5和7天的水稻颖果进行系统分析，构建了水稻早期种子高分辨率单核转录组图谱。该研究整合胚、胚乳和果皮的组织转录组数据，并结合RNA原位杂交和启动子–GUS染色，对不同细胞群进行系统鉴定和验证。最终鉴定出淀粉胚乳、糊粉层、腹侧糊粉层、胚—胚乳界面、早期胚、胚轴、盾片以及果皮和珠心等细胞群，并获得一批细胞类型相关标记基因，为后续精细化功能研究提供了重要基础（图1）。该研究进一步整合分析了水稻雌蕊及早期种子单核转录组数据 (Li et al., 2023)，发现部分母体来源细胞与受精前雌蕊细胞存在明显转录关联，其中子房壁–果皮细胞、珠心–种子期珠心细胞均表现出连续的转录变化。同时，部分珠心细胞中富集了程序性细胞死亡及运输相关基因，提示母体组织的动态变化可能参与种子发育过程中的物质运输与营养供给的调控。利用共表达网络分析（hdWGCNA）发现，部分基因共表达模块与特定细胞类型呈现显著关联，例如淀粉胚乳相关模块富集了OsbZIP58、OsNF-YA8和OsPUL3等已报道参与胚乳发育的重要调控因子，进一步佐证了单核转录组图谱及细胞类型注释的可靠性。遗传学分析进一步显示，胚轴相关模块中的FIB基因功能缺失突变体表现出籽粒灌浆异常和胚发育缺陷，表明该图谱具有挖掘种子发育关键调控因子的潜力。

尤为值得关注的是，该研究鉴定出一个转录特征独特的胚—胚乳界面（EEI）细胞群。该群富集大量物质运输和种子发育相关基因，EEI高表达基因（如OsBZR4、DWT1、MYB73）功能缺失均导致胚发育异常，提示该群可能含有调控胚胎发育的重要分子网络。聚焦于EEI富集的调控因子OsBZR4，发现OsBZR4缺失后，EEI中多种生长素运输基因转录程序受到损害，同时osbzr4突变体中早期胚细胞群Em-1发育受阻。结合拟时序分析、RNA-seq及CUT&Tag等多组学数据，研究进一步筛选并验证了早期胚细胞群标记基因OsCDP3.10和RINO1为OsBZR4的潜在下游靶基因。综上，OsBZR4可能作为EEI调控网络核心组分，通过维持界面转录状态并调控胚胎发育基因表达，从而促进水稻正常胚发育。

本研究构建了水稻早期种子高分辨率单核转录组图谱，系统解析了胚、胚乳及母体来源细胞群的分子特征，并建立了丰富的细胞类型标记资源。特别是该研究所鉴定的胚—胚乳界面细胞群及其调控特征，为理解胚与胚乳之间的协调发育提供了新的视角。该研究不仅拓展了对水稻种子细胞多样性和发育过程的认识，也为揭示种子形成机制及改良重要农艺性状提供了宝贵的资源。

图1 单核转录组图谱解析水稻早期种子细胞多样性及特征基因

研究成果以“A single-nucleus transcriptomic atlas reveals distinct cell identities and key regulators of cellular differentiation during early rice seed development”为题，在线发表于国际学术期刊Journal of Integrative Plant Biology。中国科学院东北地理与农业生态研究所已毕业博士刘颖湘（现崖州湾国家实验室博士后）与在读博士王浩宇为共同第一作者，卜庆云研究员与王臻昱副研究员为共同通讯作者，赵久海研究员与耿宇副研究员提供了重要指导与帮助。许敏博士（现就职于吉林农业大学）、研究生洪志鹏和邱梓铭参与部分实验，田晓杰、李秀峰副研究员及李伟强研究员也参与了该项研究。该研究得到了国家自然科学基金-黑龙江省联合基金项目（U23A20193）和黑龙江省重点研发计划创新基地项目（JD24A011）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.70373