麻豆

南湖新闻网讯（通讯员 刘茵梦）近日，麻豆 水稻团队在Genome Biology上发表了题为"GAMETE maps the genetic architecture of chromatin accessibility in rice pollen at single-nucleus resolution"的研究工作。该研究建立单细胞遗传定位框架GAMETE，开发适用于稀疏单细胞数据的遗传分析方法，实现了无需繁殖后代即可直接利用配子进行遗传定位、追踪偏分离最早出现的发育阶段，并大规模定位染色质可及性数量性状位点、解析其细胞类型特异性。应用于杂交水稻汕优63花粉，研究还发现小孢子阶段转座子的染色质异常开放，为理解转座子驱动的基因组大小演化提供了新线索。

花粉是植物完成遗传传递的载体，其发育调控直接关系植物育性，但要看清并不容易。同一份样品中的花粉发育阶段不同，一粒花粉内又含功能不同的细胞类型，混合样本测序会把差异平均掉；此外，花粉性状的遗传分析历来依赖后代群体，周期长，也难以追踪偏分离等遗传事件的发生阶段及其分子基础。单细胞技术虽能解析异质性，但其数据高度稀疏，又增加了基因型推断和遗传定位的难度。

团队建立了GAMETE（Genetic Architecture Mapping of Epigenetic Traits at single-nucleus resolution）分析框架，由三部分组成：自主开发的MPS-ATAC-seq技术，一次实验可灵活获取几百到上万个细胞核的染色质可及性数据；基于隐马尔可夫模型的基因型重建方法，可从高度稀疏的数据中还原每个核的基因型；首创的动态混池分析方法（Dynamic-BSA），实现了利用稀疏数据完成稳健的数量性状遗传定位。

图1 MPS-ATAC-seq实验流程与花粉单核染色质可及性图谱

研究获得了4,887个花粉核的高质量数据，经聚类对应到花粉发育的四类细胞：小孢子（MC）及其分裂产生的营养细胞（VC）、生殖细胞（GC）和精细胞（SC）（图1）。

研究打破标准流程分析数据，获得了一个意外发现。转座子在基因组中往往有多个相似拷贝，常规流程会过滤掉这类多重比对读段，转座子信号因此大量丢失。团队保留这部分读段重新分析后发现，小孢子中转座子的开放程度异常升高，且主要集中于gypsy类逆转录转座子。多个介导转座子沉默的关键因子也在小孢子中可及性较低、在生殖细胞和精细胞中升高，提示这一阶段表观沉默相对松弛。由于小孢子将直接产生雄性生殖细胞，因此这个阶段可能增加部分逆转录转座子形成可遗传的新插入的机会。小孢子中开放程度最高的两个gypsy亚家族，恰是近期被报道对野生稻与栽培稻基因组大小差异贡献最大的两个（图2）。这些结果为理解转座子驱动的基因组大小演化提供了新的发育阶段和细胞类型层面的线索。

图2 不同细胞类型中转座子可及性的分布格局

利用重建的单核基因型，研究识别到10万个重组事件，构建了单细胞水平的重组图谱，并检出多个偏分离位点；结合细胞类型注释检验后发现，部分偏分离早在小孢子阶段就已出现。依赖后代群体的传统分析无从知晓偏分离在哪一步发生，该研究因此"看到了传统遗传分析看不见的事"。应用动态混池分析，研究还获得16,113个非冗余的染色质可及性数量性状位点，并在第11染色体上找到一个控制小孢子gypsy可及性的显著位点。

总之，该框架不限于水稻花粉，存在基因型分离、能获取单倍体配子的物种都可照此分析，为作物生殖发育调控解析与分子育种提供了新的技术路径。

图3 动态混池（Dynamic-BSA）方法解析染色质可及性变异的遗传调控基础

麻豆 麻豆 博士研究生刘茵梦为论文第一作者，谢为博教授为通讯作者，邢永忠教授、余四斌教授和欧阳亦聃教授对该研究工作提供了重要指导与支持，研究工作得到国家自然科学基金等项目资助。

论文链接：//link.springer.com/article/10.1186/s13059-026-04226-4

【英文摘要】

Dissecting the genetic basis of cell-type-specific gene regulation during gametogenesis remains a major challenge. Population-level studies mask cellular heterogeneity, while the extreme data sparsity of single-cell profiling precludes robust genetic mapping.

We present GAMETE (Genetic Architecture Mapping of Epigenetic Traits at single-nucleus resolution), an integrated framework combining MPS-ATAC-seq, a high-throughput single-nucleus ATAC-seq method, with robust computational approaches for genotype inference and genetic mapping from sparse single-nucleus data. Applying GAMETE to hybrid rice pollen, we simultaneously profile chromatin accessibility and infer the genotypes of 4,887 individual haploid nuclei, revealing distinct chromatin landscapes across pollen cell types. This uncovers an unexpected elevation of chromatin accessibility at gypsy retrotransposons in microspores preceding their silencing in sperm cells, exposing a surveillance gap that may contribute to genome expansion. The synchronized profiling enables us to construct a single-cell recombination map, map segregation distortion loci and trace their developmental origins, and identify 16,113 chromatin accessibility QTLs (caQTLs), 48.6% of which exhibit pronounced cell-type specificity. Analysis of introgression lines supports a cell-type-specific trans-acting caQTL regulating the pollen-essential gene DTM1.

This work establishes GAMETE as a broadly applicable framework for dissecting the genetic architecture of chromatin accessibility during gametogenesis without the need for subsequent generations.

审核：谢为博、刘进

原文链接：麻豆 研究团队开发单细胞遗传定位框架GAMETE，揭示水稻花粉细胞类型特异的遗传调控