水稻的節(jié)（node）連接根系、節(jié)間、葉、分蘗等器官，是控制養(yǎng)分運(yùn)輸、積累和分配的關(guān)鍵器官，起著“開關(guān)”的作用，對水稻生長發(fā)育、品質(zhì)和產(chǎn)量形成起重要作用。近年來發(fā)現(xiàn)了多個在水稻節(jié)中起重要作用的礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，但水稻節(jié)的細(xì)胞類型、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因在節(jié)不同組織的系統(tǒng)表達(dá)模式等問題還不清楚，限制了水稻節(jié)中新的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的鑒定和功能研究。

近日，云南大學(xué)農(nóng)學(xué)院雷貴杰研究組在Genome biology發(fā)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(xì)胞核測序技術(shù)、離子組和空間離子組等技術(shù)，解析了水稻節(jié)的細(xì)胞類型、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)模式、礦質(zhì)元素在節(jié)的積累模式及其介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、介導(dǎo)節(jié)和根系中柱運(yùn)輸錳的重要新蛋白的功能，為系統(tǒng)深入研究水稻節(jié)的功能和挖掘介導(dǎo)養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)男禄蛱峁┝诵碌囊罁?jù)。

（1）問題1：節(jié)是水稻的重要器官，但其單細(xì)胞水平的細(xì)胞類型還不清楚。

新發(fā)現(xiàn)（圖1）：該研究利用單細(xì)胞核測序技術(shù)，對水稻生殖生長時期的伸長節(jié)（節(jié)I）進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了11種細(xì)胞類群（圖1A,B）。進(jìn)一步通過原位雜交和免疫染色等明確了各細(xì)胞類型標(biāo)記基因的組織表達(dá)模式，從而首次在單細(xì)胞水平明確了水稻節(jié)的11種細(xì)胞的類型和空間位置（圖1C），為深入解析水稻節(jié)的結(jié)構(gòu)和功能提供了重要依據(jù)。

圖1. 利用單細(xì)胞組學(xué)明確水稻節(jié)的細(xì)胞類型和分布

（2）問題2：水稻節(jié)是運(yùn)輸和分配養(yǎng)分的關(guān)鍵器官，但基因特別是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因在水稻節(jié)不同組織的表達(dá)模式還缺乏系統(tǒng)的研究。

新發(fā)現(xiàn)：該研究利用節(jié)單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)，系統(tǒng)探明了水稻基因、特別是目前已鑒定的所有轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因在節(jié)的11種細(xì)胞類群的表達(dá)模式，為挖掘和研究介導(dǎo)養(yǎng)分運(yùn)輸分配的重要新基因提供了新依據(jù)。

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

新發(fā)現(xiàn)（圖2）：該研究利用LA-ICP-MS空間離子組技術(shù)，明確了6種元素在節(jié)中的空間積累模式。結(jié)合節(jié)單細(xì)胞數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了6個候選基因分別是介導(dǎo)6種元素積累的關(guān)鍵因子，可能主要依賴不同組織細(xì)胞的液泡積累礦質(zhì)元素（圖2A）。進(jìn)一步驗(yàn)證了液泡膜定位的OsMTP1介導(dǎo)節(jié)薄壁細(xì)胞橋（PCB）特異高積累鋅（Zn）的功能（圖2B）?；谝延械慕Y(jié)果，該研究還總結(jié)了節(jié)運(yùn)輸、積累和分配鋅的模式（圖2C）。

圖2. 結(jié)合空間離子組探明水稻節(jié)積累元素的模式和關(guān)鍵基因

（4）問題4：如何利用節(jié)單細(xì)胞數(shù)據(jù)挖掘和研究介導(dǎo)元素運(yùn)輸和分配的重要新基因？

新發(fā)現(xiàn)（圖3）：該研究以MTP家族的10個基因作為研究案例，發(fā)現(xiàn)除了OsMTP1外， OsMTP7和OsMTP9在節(jié)也具有特異的組織表達(dá)模式。利用免疫染色等驗(yàn)證了OsMTP7和OsMTP9在節(jié)中的組織表達(dá)模式，與節(jié)單細(xì)胞數(shù)據(jù)一致。 OsMTP9在水稻根系內(nèi)外皮層極性定位并外排錳（Mn）的功能已被報(bào)道，推測其在節(jié)中也參與介導(dǎo)錳分配，但OsMTP7的功能未知。

該研究進(jìn)一步深入研究了OsMTP7的功能，發(fā)現(xiàn)其在節(jié)的韌皮部高表達(dá)（圖3A），還在根系中柱和花藥高表達(dá)（圖3B），介導(dǎo)錳外排，是水稻節(jié)分配錳的關(guān)鍵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，還是首個報(bào)道的在根系中柱介導(dǎo)錳外排和長距離運(yùn)輸重要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，對水稻生長、育性、產(chǎn)量形成起重要作用（圖3C，D）。基于已有的結(jié)果，該研究還總結(jié)了水稻根系和節(jié)運(yùn)輸和分配錳的模式（圖3E）。

圖3. 解析水稻節(jié)高表達(dá)OsMTP7運(yùn)輸錳進(jìn)而調(diào)控生長的功能

云南大學(xué)-農(nóng)學(xué)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(xué)馬建鋒教授團(tuán)隊(duì)為該研究提供了重要指導(dǎo)。云南大學(xué)-農(nóng)學(xué)院的多年生稻團(tuán)隊(duì)：胡鳳益、張石來、邵林、廉小平、以及長江大學(xué)-農(nóng)學(xué)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(xué)基金委、云南省科技廳和教育廳、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、新基石項(xiàng)目、云南大學(xué)、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的資助。

雷貴杰長期從事作物礦質(zhì)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(fā)表研究論文10篇。雷貴杰長期邀請相關(guān)領(lǐng)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