人體擁有37萬億細胞，是銀河系中恒星數量的100倍。17世紀，我們通過顯微鏡第一次看到了生命的微觀結構——細胞。20世紀，DNA測序技術讓我們第一次解析了生命大分子——DNA。然而，我們對于細胞如何組成一個複雜的生命體仍然了解甚微。
5月4日，深圳華大生命科學研究院（下稱“華大研究院”）聯合多家機構在Cell出版社官網以時空組學聯盟（STOC）專題的形式釋出了全球首批生命時空圖譜。這是首次從時間和空間次元上對生命發育過程中的基因和細胞變化過程進行超高精度解析，為認知器官結構、生命發育、人類疾病和物種演化提供全新方向。
研究團隊利用華大自主研發時空組學技術Stereo-seq，首次繪制了小鼠、斑馬魚、果蠅、拟南芥四種模式生物胚胎發育或器官的時空圖譜。其中，基于高精度大視場Stereo-seq技術繪制的小鼠胚胎發育時空圖譜相關成果在《細胞》（Cell）期刊線上發表，斑馬魚、果蠅、拟南芥時空圖譜相關成果在《細胞》子刊《發育細胞》（Developmental Cell）線上發表。
系列研究由深圳華大生命科學研究院聯合中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院、南方科技大學、華中農業大學等來自6個國家的32個科研團隊共同參與完成。
值得關注的是，為推動時空組學在生命科學各個領域的廣泛應用，華大研究院等機構發起了時空組學聯盟，這是一個國際化科學聯盟，由來自哈佛大學、劍橋大學、牛津大學等16個國家的80多位科學家組成。本次專題成果則是由華大研究院聯合時空組學聯盟機關主導的、時空組學聯盟産出的第一批重磅成果。
Stereo-seq堪稱“超廣角百億像素生命照相機”。該技術能同時“拍到”組織裡每個細胞的基因資訊和空間位置，其使用的晶片是研究團隊基于華大自主研發的DNBSEQ測序技術研制的具有空間位置資訊的、陣列式排布的DNA納米球空間捕獲晶片。該晶片可以實作超高精度和超大視野的生命分子成像，其分辨率可達500納米（單個細胞可被400個像素點捕獲），實作亞細胞定位。同時，該技術還可以達到最大13厘米x13厘米的超大視野，實作器官和生命全景分子細胞圖譜的繪制。
Stereo-seq技術所使用的時空晶片。
研究團隊利用該技術，在小鼠胚胎器官形成的第9.5-16.5天，每天“拍攝”多張“照片”，得到8個時期的53張“照片”形成了一個胚胎發育的時空圖譜，就像一張生命全景地圖，記錄了小鼠胚胎内器官發育和形成的細胞演變過程。建構出了世界上首個系統清晰的小鼠器官跨時期空間基因表達圖譜集。
這也是首次在單細胞分辨率水準上解析空間基因表達譜，為哺乳動物發育研究提供重要的資料參考。
小鼠胚胎第9.5-16.5天的時空圖譜。
除小鼠之外，科研團隊還對斑馬魚、果蠅等模式生物的發育過程進行了研究，建構了斑馬魚和果蠅胚胎發育的時空圖譜，為胚胎發育過程中的模式形成及相關分子機理研究提供重要的資料參考，也為進化過程中胚胎演化的研究提供了可能。
為攻克長期以來研究人員無法對植物葉片中高度相似細胞類型的分子特征進行有效解析的難題，研究人員還基于Stereo-seq技術成功開發出适用于植物的單細胞空間組技術，并将此技術應用于植物葉片細胞的空間組學研究。該技術将會應用于植物基礎科學研究和作物育種研究中，如在水稻、小麥和玉米等作物的種子發育和抗旱、耐高溫和耐鹽等機制解析中進行優勢關鍵基因的挖掘，為高産、優質、抗逆作物品系的培育貢獻力量。
上述專題網頁還展示了4篇BioRxiv預印成果，包括猴腦時空組圖譜、蝾螈腦再生時空圖譜、惡性良性腫瘤發生過程時空組圖譜等，為腦科學研究和惡性良性腫瘤研究提供了強有力的工具。
“通過Stereo-seq技術，人類首次以500納米的空間分辨率實作了生命全景時空圖譜的繪制。在過去，要做幾千甚至上萬次的實驗才能完成的時空圖譜，現在，在華大自主研發的時空晶片上，隻需一次定位就能實作。這是生命科學工具的裡程碑式突破。”《細胞》論文第一作者、深圳華大生命科學研究院時空組學首席科學家陳奧表示。
系列論文的共同通訊作者之一、深圳華大生命科學研究院單細胞組學首席科學家劉龍奇也表示，“時空組學技術的出現，實作了生命在時間和空間次元上細胞‘地圖’的全面繪制，讓我們可以在細胞甚至亞細胞分辨率下，觀察到正常狀态和疾病狀态下分子和細胞的分布及細胞之間的互作情況，真正實作了從高精度結構的角度去了解功能，這将大大推動我們對于生命複雜性和人類疾病的全面認知。”
“得益于Stereo-seq技術的超大視野，科研人員可以在發育中的小鼠胚胎上以非常高的分辨率和測序深度進行組織的分析和研究，” 時空聯盟成員、《細胞》論文共同作者、英國劍橋大學臨床醫學院（School of Clinical Medicine）院長Patrick Maxwell教授表示。
Maxwell進一步提到，“利用本研究免費公開的資料，大家可以真正地了解哺乳動物是如何發育的，組織是如何組成的等問題。這也将使我們深入了解發育的過程、正常的組織功能，以及疾病。”
Cell專題頁面連結：https://www.cell.com/consortium/spatiotemporal-omics