Nature Genetics：時(shí)空組學(xué)技術(shù)如何為小麥精準(zhǔn)育種開(kāi)辟新方向？

小麥?zhǔn)侨虺种蝗丝诘闹骷Z，提升其產(chǎn)量與品質(zhì)對(duì)保障世界糧食安全至關(guān)重要。4月1日，華大生命科學(xué)研究院牽頭建設(shè)的基因組多維解析技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合湘湖實(shí)驗(yàn)室、阿德萊德大學(xué)、莫道克大學(xué)等來(lái)自9個(gè)國(guó)家34所大學(xué)和研究所的科學(xué)家，在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）發(fā)表前瞻性觀點(diǎn)綜述，系統(tǒng)闡述了時(shí)空組學(xué)技術(shù)在小麥研究中的應(yīng)用潛力與未來(lái)方向，為解析小麥的復(fù)雜農(nóng)藝性狀、培育適應(yīng)氣候變化的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)新品種，提供了全新研究范式。

這是繼2025年11月成立以來(lái)，該聯(lián)盟取得的又一重要成果。

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時(shí)空組學(xué)技術(shù)可在保留組織空間結(jié)構(gòu)信息的前提下，解析基因表達(dá)、蛋白分布、代謝物變化的時(shí)空特征，突破了傳統(tǒng)組學(xué)無(wú)法實(shí)現(xiàn)細(xì)胞與組織水平精準(zhǔn)定位的局限，已成為生命科學(xué)研究的革命性工具。

該技術(shù)在醫(yī)學(xué)和動(dòng)物科學(xué)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，在水稻、洋蔥等植物的研究和應(yīng)用上也取得了一定的突破。鑒于小麥基因組的復(fù)雜性、全球氣候變化帶來(lái)的多重挑戰(zhàn)以及對(duì)精準(zhǔn)育種的迫切需求，時(shí)空組學(xué)技術(shù)成為小麥研究領(lǐng)域的重要突破口之一。

時(shí)空轉(zhuǎn)錄組學(xué)在小麥中的潛在應(yīng)用

論文全面梳理了時(shí)空組學(xué)在植物研究中的應(yīng)用進(jìn)展，并針對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育、逆境響應(yīng)等核心問(wèn)題，提出了完整實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架。

研究指出，時(shí)空組學(xué)技術(shù)可精準(zhǔn)解析小麥穗、籽粒、根、旗葉等關(guān)鍵器官的細(xì)胞空間圖譜，揭示穗發(fā)育、籽粒形成、光合作用、養(yǎng)分吸收等過(guò)程的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為解析小麥抗旱、耐鹽、抗病等逆境響應(yīng)的細(xì)胞特異性機(jī)制提供全新視角。

例如，在小麥抗旱研究中，研究團(tuán)隊(duì)可通過(guò)時(shí)空組學(xué)技術(shù)，明確旗葉保衛(wèi)細(xì)胞、副衛(wèi)細(xì)胞等特化細(xì)胞在干旱脅迫下的的基因表達(dá)變化，從而挖掘氣孔調(diào)控相關(guān)的新基因，為抗旱育種提供精準(zhǔn)靶點(diǎn)。

為攻克小麥基因組的復(fù)雜性帶來(lái)的研究難點(diǎn)，論文提出了一系列解決方案：

?整合多組學(xué)數(shù)據(jù)：整合小麥端粒到端粒參考基因組、泛基因組與群體基因組數(shù)據(jù)，構(gòu)建覆蓋全生育期的小麥空間分辨單細(xì)胞圖譜；

?聯(lián)合分析：將時(shí)空組學(xué)數(shù)據(jù)與全基因組關(guān)聯(lián)分析、表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“基因型-表型-基因時(shí)空表達(dá)”的精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)；

?技術(shù)融合：融合單細(xì)胞多組學(xué)與時(shí)空組學(xué)技術(shù)，深入解析小麥亞基因組分化與細(xì)胞特異性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，以期突破傳統(tǒng)基因挖掘的瓶頸。

多組學(xué)數(shù)據(jù)整合解析小麥遺傳改良相關(guān)復(fù)雜性狀

論文還系統(tǒng)分析了當(dāng)前小麥時(shí)空組學(xué)研究面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，并提出了相應(yīng)的解決策略，如借鑒醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的超高分辨率成像技術(shù)、開(kāi)發(fā)植物特異性時(shí)空組學(xué)分析工具、利用人工智能實(shí)現(xiàn)時(shí)空組學(xué)數(shù)據(jù)的深度解析與建模等。為推動(dòng)全球小麥時(shí)空組學(xué)研究的協(xié)同發(fā)展，研究團(tuán)隊(duì)于去年成立了小麥時(shí)空組學(xué)聯(lián)盟（WSOC），整合全球小麥科研資源，開(kāi)展跨學(xué)科、跨地域的合作研究，共同攻克小麥時(shí)空組學(xué)技術(shù)難題，加速研究成果向育種應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

論文強(qiáng)調(diào)，時(shí)空組學(xué)技術(shù)與基因編輯、人工智能、精準(zhǔn)表型鑒定等前沿技術(shù)的融合，將推動(dòng)小麥育種進(jìn)入精準(zhǔn)設(shè)計(jì)新時(shí)代。科學(xué)家可利用AI整合多維度時(shí)空組學(xué)數(shù)據(jù)，模擬小麥雜交與選擇過(guò)程，提升育種效率；也可以從野生小麥近緣種中挖掘優(yōu)異基因并加以利用，從而大幅縮短育種周期，提升育種效率。

澳大利亞阿德萊德大學(xué)陳仲華教授、基因組多維解析技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐訊研究員、湘湖實(shí)驗(yàn)室徐盛春研究員、澳大利亞阿德萊德大學(xué)Scott Boden 副教授、莫道克大學(xué) Rajeev K. Varshney 教授為論文共同通訊作者；湘湖實(shí)驗(yàn)室陶曉園研究員和基因組多維解析技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室談聰研究員為論文共同第一作者。國(guó)內(nèi)外35家高校和研究所的科學(xué)家共同參與了本研究。

該研究得到了浙江省“尖兵領(lǐng)雁+X”研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金、湘湖實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)、澳大利亞研究理事會(huì)項(xiàng)目、國(guó)家科技創(chuàng)新2030、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-前沿生物技術(shù)專(zhuān)項(xiàng)等科研項(xiàng)目支持。

關(guān)于國(guó)際小麥時(shí)空組學(xué)聯(lián)盟

國(guó)際小麥時(shí)空組學(xué)研究聯(lián)盟（Wheat Spatial-Omics Consortium, WSOC）發(fā)起于2025年11月第二屆國(guó)際植物時(shí)空組學(xué)大會(huì)，是植物時(shí)空組學(xué)聯(lián)盟（STOC Plant）首個(gè)聚焦小麥時(shí)空組學(xué)研究面向全球開(kāi)放的跨國(guó)協(xié)作平臺(tái)，目前已匯集了全球20余家科研單位及30余位核心研究人員。

聯(lián)盟聚焦于整合優(yōu)勢(shì)資源開(kāi)展小麥大科學(xué)研究項(xiàng)目，推動(dòng)小麥全生命周期多維組學(xué)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)出、參考細(xì)胞時(shí)空?qǐng)D譜的系統(tǒng)構(gòu)建，和小麥育種大模型的搭建，推動(dòng)小麥研究由靜態(tài)基因組向動(dòng)態(tài)、細(xì)胞尺度功能解析躍遷，打通多維組學(xué)大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)指導(dǎo)小麥育種的關(guān)鍵鏈路，助力全球糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

華大自主研發(fā)的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，憑借高分辨、大視場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，為植物研究提供了全新維度。點(diǎn)擊下方鏈接，一起來(lái)看看這個(gè)超廣角百億像素“生命照相機(jī)”是如何解鎖植物奧秘的？

*本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)：華大集團(tuán)BGI

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