近日，JIPB在线发表了中国农业科学院生物技术研究所普莉研究员和乐亮副研究员团队题为“Single-cell insights into plant growth, adaptation, andevolution”的综述论文，系统梳理了植物单细胞研究的最新进展，展示了单细胞转录组、表观组和空间组学如何把作物研究从组织水平推进到细胞水平，也为未来作物精准改良提供了更清晰的路线图。

原文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.70272

内容解析

这篇文章最突出的价值，在于把近年来分散在不同作物、不同器官、不同技术平台上的研究成果，整合成了一幅完整而有层次的植物单细胞图景。作者指出，传统 bulk tissue 分析会把不同细胞类型的分子信号混在一起，容易掩盖稀有细胞和关键调控环节，而单细胞技术能够直接识别细胞类型、解析发育轨迹、追踪调控网络，真正回答“什么细胞在起作用”“什么时候开始变化”“变化如何影响性状形成”等核心问题。文章特别强调，单细胞多组学与空间转录组结合后，不仅能看到细胞“说了什么”，还能看到这些细胞“在什么位置”“与谁相邻”“如何协同工作”，这对于理解复杂农艺性状尤其关键。

围绕植物生长发育，这篇综述系统总结了单细胞技术在种子、根、茎、叶、茎尖、穗部等多个关键器官中的应用成果。在种子研究中，单细胞和空间多组学帮助研究人员解析了胚、胚乳和种皮不同区域的细胞组成及其调控网络，发现了与籽粒品质、营养积累和产量形成相关的细胞类型和候选基因。在根部研究中，单细胞技术不仅解析了表皮、皮层、内皮层、中柱等主要细胞类型，还揭示了不同物种间根发育保守与分化的轨迹，帮助识别根毛形成、侧根发育、共生固氮等过程中的关键调控因子。在叶片和地上分生组织中，相关研究进一步解析了叶角形成、气孔发育、叶肉细胞分化和茎尖器官发生的细胞基础，为改良株型、提高光合效率和提升再生转化能力提供了新的分子切入点。对于玉米穗、稻穗和雌蕊等生殖器官，单细胞图谱则把产量形成相关的分生组织活性、器官命运转变和花器官特化过程看得更加清楚。

图1. 植物生长发育全时期的细胞类群

在环境适应方面，这篇综述展示了单细胞技术的另一项重要优势，那就是把过去“整株受胁迫”的模糊认识，变成“哪类细胞先响应、哪条网络最关键”的精准解析。高温胁迫下，不同作物的表皮、皮层、叶肉、维管组织乃至花药绒毡层，都会表现出明显不同的应答模式。研究人员已经利用单细胞和单核技术在拟南芥、玉米、水稻、白菜、棉花和谷子等材料中识别出热胁迫关键响应细胞及其调控网络，并解析了热致雄性不育等复杂表型的细胞学基础。对于盐胁迫、渗透胁迫和干旱胁迫，单细胞研究不仅定位到根毛细胞、表皮细胞等高敏感细胞群，还结合染色质可及性分析，进一步找到了与耐盐耐旱相关的候选调控因子。文章同时总结了光信号、氮素、硼缺乏、土壤压实以及病原侵染等研究进展，表明植物对外界刺激的响应并不是整齐划一的，而是具有强烈的细胞类型特异性。

这篇综述还有一个很有分量的部分，是把单细胞技术与植物进化联系起来。作者指出，随着跨物种单细胞图谱不断积累，研究者已经开始在蕨类、裸子植物、被子植物乃至苔藓植物之间比较保守细胞类型和调控模块，探索维管组织、保卫细胞、伴胞样细胞等重要结构在进化中的形成过程。围绕 C3 到 C4 光合作用的演化、维管系统创新以及顺式调控元件在不同细胞类型中的分化，这些研究正不断提供新的分子证据。也就是说，单细胞技术不仅在回答“这个作物怎么长”，也在回答“植物为什么会进化成今天这样”。

更值得关注的是，这篇文章没有停留在现状总结，而是进一步勾勒了未来方向。作者认为，植物单细胞研究正从“建立图谱”走向“理解机制”和“预测设计”。围绕样本制备、空间组学、多组学共测、复杂作物基因组分析、跨物种迁移学习和人工智能建模，文章系统讨论了未来可能出现的技术突破。特别是将深度学习、基础大模型、虚拟细胞和跨模态整合引入作物研究，有望把单细胞数据真正转化为育种决策工具。未来，研究者不仅能在细胞层面定位关键性状调控位点，还有希望建立细胞类型特异的编辑系统，构建跨物种 pan-cell atlas，并把野生近缘种中的优良调控模块更精准地迁移到栽培作物中。

图2 单细胞组学与作物科学的深度整合为下一代作物的分子设计提供指导

综上，该综述不仅全面总结了领域内的最新研究进展，更站在作物遗传改良与农业生产需求的角度，厘清了单细胞技术从基础研究向育种应用转化的核心逻辑，为植物分子生物学、作物遗传育种领域的科研工作者提供了极具价值的理论参考与实践指引。随着单细胞技术与AI、育种科学的深度结合，细胞分辨率的研究范式将持续重塑作物遗传改良体系，为应对粮食安全挑战、培育高产优质抗逆作物提供坚实的科技支撑。

中国农业科学院生物技术研究所已毕业博士王繁华（现就职于山东师范大学）与博士生王发朕为该论文共同第一作者，乐亮副研究员和普莉研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家生物育种重大项目、科技创新2030项目以及中国农业科学院农业科学技术创新工程的资助。