2005年，华大主导完成的水稻全基因组精细图以封面文章形式发表在PLoS Biology杂志上。封面中，一个小孩抱着一大锅煮熟的米饭，身边也有一小碗，寓意着华大将这一大锅饭献给全人类（免费公开水稻基因组数据），自己只留一小碗。
从绘制水稻基因组工作框架图和精细图开始，华大就与水稻结下了不解之缘。此后，华大还联合中国农业科学院、国际水稻研究所等共同完成了3010株亚洲栽培稻的重测序，并与云南大学胡凤益教授合作，使“一次种植，多次收割”的多年生稻在全球大范围的落地成为可能。
在水稻全基因组精细图完成的20周年，华大又喜迎一项突破性成果。近日，华大生命科学研究院联合华中农业大学利用华大自主研发的Stereo-seq时空组学技术，系统性地解析了陆稻根系适应干旱的分子机制，并鉴定出关键调控基因HMGB1，为作物抗旱遗传改良提供了新思路。成果发表于Molecular Plant。
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陆稻是我国西南地区特有的水稻类型，早在《齐民要术》中就有陆稻栽培的相关记载。与普通水稻相比，陆稻具备耐旱、耐贫瘠等优良特性，使得种植方式更为简便。这些优势很大程度上归功于其强健发达的根系，然而目前针对陆稻根系分子机制的研究仍相对匮乏。
研究团队挑选了16个遗传背景相近的水稻与陆稻品种，借助华中农业大学的表型组平台，系统性地研究了陆稻和水稻在生长过程中根系的表型变化。结果发现，相较于水稻，陆稻的根长较长、根茎较粗，尽管其冠根（禾本科植物特有的根系类型）数量较少，但却表现出更强的抗旱性。这一"以质取胜"的适应性策略，提示其根系可能存在独特的分子调控机制。
陆稻根系的表型
针对这一表型差异，研究团队通过时空组学技术Stereo-seq，成功构建了陆稻根系发育的动态基因表达图谱，重建了冠根原基的生长过程，揭示了陆稻胚芽鞘节的细胞类型及其分布。团队还采用类似方法重建了水稻和陆稻根生长过程中的根尖细胞分裂分化过程，发现水稻根的中柱和皮层细胞的纵向发育是协同调控的。
胚芽鞘节和根尖的空间转录组图谱
随后，研究团队将水稻和陆稻根系发育的基因进行了比较，发现多个已报道的决定冠根数目和根长度的差异基因，并确定了它们所属的细胞类型。同时，研究人员还发现陆稻根尖分生区的细胞与代谢和转录翻译活性显著高于水稻，而在分生区表达差异最显著的基因之一——HMGB1引起了研究者的注意，团队通过遗传学实验证明，当在陆稻中高表达的转录调控因子HMGB1在水稻中被敲除后，水稻的根系变得更加强健，抗旱能力也显著增强。
HMGB1转基因突变体的表型
综上，这项研究不仅揭示了陆稻适应干旱的分子基础，还为作物抗旱遗传改良提供了新思路。因为陆稻和水稻是"近亲"，陆稻的抗旱基因更容易转移到普通水稻中。未来，科学家或许能够利用这些抗旱基因，培育出"少喝水"也能高产的水稻，帮助农民有效应对干旱气候带来的挑战。
时空组学技术Stereo-seq在植物研究中不仅可以精准识别多种细胞类型，重构细胞命运的复杂谱系，并且能深入揭示细胞之间错综复杂的互作机制。目前已在拟南芥、洋葱、大豆根瘤、玉米、花生、番茄等作物研究中取得关键进展。点击图片查看研究案例。
武汉华大生命科学研究院钟荔媛博士、华中农业大学已毕业博士研究生耿乐萍博士，博士研究生向依萌为论文共同第一作者。华中农业大学吕俊博士、赵毓教授和华大生命科学研究院刘欢研究员为论文共同通讯作者。华中农业大学杨万能教授团队在水陆稻根表型鉴定、云南大学胡凤益教授在研究材料、浙江大学毛传藻教授在HMGB1抗体等方面给予了支持及工作指导。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技重大专项、岭南现代农业科学与技术广东省实验室以及中央高校基本科研业务费专项等的资助。
