地下茎（Rhizomes）是植物实现多年生的重要器官，例如竹子、芦苇等。上世纪80年代国际上开启多年生粮食作物培育，经过几十年科学研究，已经培育出多年生稻、多年生玉米、多年生小麦等多年生粮食作物。其中基于长雄野生稻（具有地下茎）作为父本，亚洲栽培稻作为母本，夸种杂交成功培育出多年生稻，成为可以商业化应用推广的多年生作物，且具有相当丰富的研究。但是，关于地下茎的发育生物学研究仍然较少，特别是其细胞生物学机理仍然不清。

研究利用长读长测序技术结合MGI-Seq T7平台构建的Hi-C文库，组装了长雄野生稻双单倍型基因组；采用Stereo-seq分析了处于同一发育阶段的长雄野生稻地下茎和分蘖的冷冻组织切片。

1. 长雄野生稻地下茎和分蘖的时空转录组图谱

研究人员首先组装了长雄野生稻（Oryza longistaminata）的双单倍型基因组，与之前的组装相比，其连续性提高了48倍。接下来，为了生成分蘖和地下茎的空间表达图谱，研究人员收集了主茎节上的一级地下茎芽、地下茎节上的二级地下茎芽和分蘖芽作为时空组学技术Stereo-seq的分析材料（图1）。

图1 地下茎时空分析流程图

研究中新组装的基因组被用于后续的原始reads定位，总共检测到20,632个基因。为了获得足够的信息，研究人员利用Stereo-seq芯片共生成了25,675个bins（1 bin为100×100个spots，相当于50μm2）。每个bin的独特转录本和基因的平均数量分别为1,274和765（图2）。

图2 Violin plot显示所有样本的每个spot的基因数分布（左）和每个spot的总基因数分布（右）

每个切片中获得的基因表现出很强的相关性，且这些数据具有高度的一致性。研究进一步通过无监督spot聚类共识别出17个细胞群，且所有细胞群在分蘖和地下茎中均存在（图3）。通过数据的UMAP可视化，研究人员发现不同细胞群的spots之间具有清晰的界线，且分蘖和地下茎的spots具有很高的相似性（图3）。这表明分蘖和地下茎的细胞群在某种程度上具有相似的转录组特征。

图3 无监督聚类分析分蘖和地下茎细胞群的UMAP可视化

通过可视化空间位置，研究人员观察到分蘖和地下茎细胞群的空间分布与实际的组织排列相对应（图4）。利用时空转录组图谱，研究人员将两个空间上相互联系的细胞群（即维管束2群和薄壁组织2群）确定为地下茎和分蘖之间的主要区别。

图4 分蘖和地下茎细胞群的空间位置可视化

总之，研究绘制的时空转录组图谱展现了分蘖和地下茎的相似聚类特征，且该图谱与分蘖和地下茎的组织解剖结构高度一致。

2. 时空转录组图谱揭示地下茎起始发育过程

接下来，研究人员通过地下茎的形态学分析探讨了其起始过程（图5），发现地下茎的起始过程可能分为三个阶段，即薄壁组织凹陷、先出叶生成以及地下茎腋芽形成。

图5 地下茎横截面示意图

研究人员进一步通过Stereo-seq技术分析了二级地下茎芽的这三个发育阶段，共生成了43,596个bins（100×100 spots/bin，图6）。每个bin的独特转录本和基因的平均数量分别为1,198和628，这些转录本和基因数量表现出均匀分布（图2），且具有很强的相关性。最终的可视化结果与解剖结构一致。

图6 无监督聚类分析地下茎芽三个发育阶段的UMAP可视化

值得注意的是，在第一阶段的薄壁组织凹陷区域，研究人员发现了一个细胞群，且该细胞群在第三阶段能够发育成地下茎芽（图7），因此将其定为分生组织起始细胞群。此外，研究人员通过轨迹分析，进一步表明了地下茎芽的从头再生（de novo generation）特性。

图7 地下茎起始的空间位置可视化

该研究利用华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，创建了长雄野生稻地下茎的时空发育图谱，该图谱是探索地下茎控制基因的关键参考因素，由于地下茎的无性繁殖特性，这些基因对于多年生作物的栽培至关重要，有助于深入了解地下茎细胞群的发育特异性及地下茎形成的细胞生物学机理，为未来多年生作物的育种提供宝贵的资源。