Science | 百创时空技术助力构建空间分辨单细胞图谱揭示动物心脏的宏观演化蓝图

2026年07月24日，方宗熙海洋生物进化与发育研究中心、海洋生物多样性与进化研究所牵头，联合青岛市妇女儿童医院、广东省人民医院、辽宁师范大学、青岛华大生命科学研究院，以及美国哈佛医学院波士顿儿童医院、法国艾克斯-马赛大学发育生物学研究所等国际研究团队在Science期刊上以First Release形式在线发表了题为“空间分辨单细胞图谱揭示动物心脏的宏观演化蓝图”（Spatially resolved single-cell atlas reveals the macroevolutionary trajectory of animal hearts）的研究论文。

该研究整合27个物种的心脏单细胞与空间转录组数据，构建国际首张跨动物界心脏演化图谱，揭示心脏共享”核心基因工具包+谱系叠加”的演化策略，发现心肌细胞”瞬时状态”新类型，并提出”心室为先、心房为后”的房室起源新模型，为理解心脏演化与再生提供系统性框架。

百迈客生物为该研究提供了百创智造空间芯片解决策略！

研究背景

核心科学问题：

心脏是复杂动物生命崛起中的关键演化创新，但其起源与演化规律长期悬而未决。传统研究高度集中于斑马鱼、小鼠等少数模式动物及人类，对占动物界绝大多数的节肢动物、软体动物、原索动物等非模式物种的心脏知之甚少。

关键技术空白：

1）非模式动物处于生命之树的关键演化节点，承载着心脏从简单管状到复杂腔室器官的丰富过渡形态；

2）许多非模式物种（如斑马鱼、蝾螈）拥有惊人的心脏再生能力，具有不可替代的研究价值；

3）化石证据表明功能性心血管系统在寒武纪早期已出现，但不同谱系间化石零散不完整，心脏是否单次起源或多次独立演化尚无定论。

技术挑战：

非模式物种心脏研究面临技术和方法上的多重障碍，限制了跨物种比较研究的开展。

研究契机：

空间转录组等前沿技术的成熟，为在细胞分辨率上解析心脏演化、捕获精细调控差异提供了关键突破口。

研究结果

构建国际首张动物心脏高精度空间分辨率单细胞整合图谱

心脏是复杂动物生命崛起历程中的关键演化创新之一。长期以来，心脏研究高度集中于斑马鱼、小鼠等少数模式动物及人类自身，而对占动物界绝大多数的节肢动物、软体动物及原索动物等类群知之甚少。事实上，非模式动物身处生命之树的关键演化节点，承载着心脏从简单管状结构到复杂腔室器官的丰富过渡形态，同时许多类群还拥有惊人的心脏再生能力，具有不可替代的研究价值。然而，在非模式物种心脏研究中仍面临诸多技术和方法上的挑战。

研究团队通过创新优化技术方法以克服相关挑战，选取两侧对称动物27个代表性物种的成体心脏，整合比较基因组学、Bulk转录组学、单细胞转录组学（399,483个细胞）和空间转录组学（685,023个空间spots）四大维度数据，构建了跨动物界的心脏分子演化全景图谱。

该研究横跨原口动物与后口动物两大类群，覆盖了心脏形态演化的完整谱系，包括管状（蠕动型与搏动型）、两腔室、三腔室及四腔室等多种结构类型。原口动物涵盖节肢动物（果蝇等）与软体动物（扇贝、蜗牛、章鱼等）；后口动物包括头索动物（文昌鱼）、尾索动物（海鞘）等脊索动物，以及脊柱动物的无颌类（七鳃鳗）、软骨鱼类（条纹斑竹鲨等）、硬骨鱼类（斑马鱼、非洲肺鱼）、两栖类（爪蟾、蝾螈等）、爬行类（红耳龟等）、鸟类（斑胸草雀等）及哺乳类（小鼠、人类等），代表了水生、两栖及陆生等多种生态类型。

该研究贡献了成体心脏多维转录组数据集，并建立了开放共享的数据库HEART，为整个科学共同体提供了重要的动物心脏研究资源与平台支撑。

心脏宏观演化策略：“核心基因工具包→逐步叠加”演化策略

心脏在动物各谱系中呈现出极为显著的形态与功能多样性，令科学家推测不同类群的心脏可能源于多次独立的演化事件。然而，近年来的化石证据表明，功能性的心血管系统在寒武纪早期便已出现，但由于不同谱系间化石证据零散且不完整，这一关键器官的起源问题始终悬而未决。

为厘清这一问题，该研究首先通过比较基因组与bulk转录组分析，从器官水平系统解析了两侧对称动物心脏的分子演化规律。研究发现，两侧对称动物成体心脏共享“祖先核心基因工具包”，其中超过60%（CoreBA1/2）在原口动物与后口动物间保守共存，其起源可追溯至两侧对称动物祖先，提示动物心脏可能共享一个祖先型“原始心脏”分子蓝图，这一发现为支持心脏具有深层次起源的假说提供了关键分子证据。

研究进一步发现，在共享核心工具包的基础上，原口动物与后口动物各自独立获得了3,086个和2,668个谱系特异性基因家族，并在关键演化节点上各支系均检测到显著的基因获得信号，揭示了谱系特异性遗传“叠加”模块与基因家族的协同获得，是驱动心脏形态与功能跃迁的重要进化驱动力之一。这种“保守核心+谱系叠加”的双层演化策略，既保证了心脏基本泵血功能的稳定传承，又通过谱系特异性基因的不断叠加推动了心脏形态与功能的差异化演进，为理解动物心脏的起源演化规律提供了系统性框架。

心脏细胞演化蓝图：从“保守基石”到“水陆适应”的谱系重塑

心脏是动物适应不同生态环境的核心器官，其形态与功能在各类群中呈现出高度多样的适应策略，例如章鱼拥有三颗心脏，海鞘采用双向泵血模式，斑马鱼和蝾螈具有强大的成体心脏再生能力等。在这些差异演化的背后，分子蓝图构筑了心脏演化的底层架构，而细胞层面的功能执行则是这一蓝图转化为多样形态与适应能力的直接载体。那么，多样化心脏形态在细胞层面究竟遵循怎样的演化路径？支撑其适应性创新的细胞蓝图又具有何种规律？

针对上述问题，该研究聚焦于动物演化史中一次重大环境转变，即从水生到陆生的适应性跃迁，旨在从细胞分辨率上解析其内在机制。研究首先系统鉴定了11种主要细胞类型，发现心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞为丰度最高的三大类群，且与神经细胞一同在两侧对称动物心脏中普遍存在，提示这四种细胞类型在两侧对称动物祖先的“原初心脏”中已作为基本功能组件而建立，是奠定“原初心脏”的细胞基石。

与此同时，脊椎动物与原口动物在心脏细胞谱系组成上呈现出明显分歧，提示谱系特异的细胞类型获得、丢失或组合调整是驱动心脏结构和功能多样化的重要演化机制。在此基础上，研究进一步聚焦于心肌细胞谱系，追踪其在水生向陆生转变过程中的分子演化轨迹，并识别出apelin受体（APLNR）及一氧化氮（NO）生物合成等信号通路，这些通路可能在非羊膜动物向羊膜动物过渡期间，为应对陆地环境所带来的氧供应及代谢调控等生理挑战提供了关键的分子适应性基础。

心肌细胞状态可塑性图景：从“静态组成”到“动态瞬时”的调控新视角

心肌细胞是心脏的主要功能单元，亦是心脏区别于其他器官的标志性细胞类型，系统解析其功能分化对于理解心脏稳态维持、功能调控及演化适应具有重要意义。在单细胞分辨率下，细胞类型的界定已日益清晰，然而细胞功能状态的精细动态调控，如基因表达的瞬时波动或转录本的空间重新排布，在常规单细胞分析中易被平均化或忽略。空间转录组技术能够保留基因转录本的原位空间信息，揭示其组织内的分布规律，为捕捉上述精细调控差异提供了关键的突破口。

基于此，研究团队利用空间转录组技术，在原口与后口动物类群中鉴定到 “组成性状态”心肌细胞的同时，首次发现另一类富集离子通道与肌节收缩调控基因、且呈现“转录本核聚集”这一独特空间特征的“瞬时状态”心肌细胞，该状态在各动物类群中及人类心脏均呈保守性存在，即便在体外培养的心脏类器官中也可检测到。心肌细胞的这种“瞬时状态”并非静态存在，而是呈现高度动态。在人类和小鼠胎儿期发育阶段心脏中，该状态的心肌细胞比例均显著高于成年期，且乳鼠出生8天后该状态的心肌细胞比例即可与成体一致，提示了该状态或与心脏发育及小鼠心脏再生能力的变化相关。在损伤的心脏中，如小鼠心肌梗死后7天，梗死边缘区瞬时态心肌细胞比例显著高于损伤远端区域及未损伤心脏，提示该状态可响应心脏的损伤应激。心脏功能适应于动物生活环境的变化，通过模拟高海拔环境的缺氧处理，相比常氧环境的心脏，发现该状态细胞比例显著上升，提示该状态可以响应心脏环境的变化。

综上，心肌细胞“瞬时状态”的发现揭示了心脏在发育与应激响应中存在一个高度可塑的调控节点。该研究利用空间转录组技术捕获了单细胞测序难以识别的精细调控差异，为解析心肌细胞功能状态的动态演化开辟了新的分析视角，也为理解心脏发育、病理及环境适应性策略提供了关键线索。

房室起源演化模型：“心室样”原始心脏与关键结构创新

从管状心脏到腔室心脏，心脏结构经历了一次至关重要的演化创新。这一转变不仅涉及解剖形态的重塑，更标志着从蠕动型收缩向高效定向泵血的功能跃升，是动物实现高能耗活动与复杂循环需求的关键前提。尽管哺乳动物房室的形成已从发育学角度得到广泛研究，但心房与心室在演化尺度上的起源次序及其分子基础迄今尚未被系统阐明。空间转录组技术不仅能够解析细胞内部的精细转录调控差异，更可从组织原位层面追溯关键解剖结构的分子构成与演化轨迹，为破解上述问题提供了重要的技术路径。

该研究首次系统鉴定了跨原口-后口动物的房室保守分子特征，识别出高度保守的78个心房特异性基因与124个心室特异性基因，仅占心脏表达基因的不到0.1%。通过空间转录组学分析验证了这些极精简的“分子核心”的房室特异性表达模式在所检测的全部物种中均成立。通过综合转录组年龄指数分析、空间表达模式和跨物种细胞相似性比较，系统鉴定管状心脏心肌细胞与心室心肌细胞的分子相似性在两大支系中均强于与心房心肌细胞的相似性，为追溯房室结构的演化次序提供了关键线索。

基于上述发现，团队提出双侧对称动物祖先的原始心脏可能呈现“心室样”泵血心肌特征，即原始心脏的泵血功能核心由心室样心肌细胞主导，心房则是随后在心室样心肌细胞分化基础上，整合多种非心肌细胞（成纤维细胞、内皮细胞）后演化而来的次级创新。这一“心室为先、心房为后”的房室起源新模型为理解从管状心脏到腔室心脏的结构革新提供了细胞与分子层面的演化框架。

百创S系列空间转录组芯片如何助力？

攻克海鞘心脏空间组学技术难题

海鞘作为后口动物的关键演化节点，其心脏结构独特、组织质地特殊，空间组学捕获面临极大挑战。百创S系列空间转录组芯片凭借高分辨率空间捕获能力与优异的组织兼容性，成功突破海鞘心脏样本的空间组学瓶颈，实现了对海鞘心脏原位基因表达图谱的精准绘制。研究团队通过百创S系列芯片获取了海鞘心脏的空间转录组数据，首次在组织原位层面验证了管状心脏心肌细胞与心室心肌细胞的分子相似性，为追溯房室结构的演化次序提供了关键线索，也为解析心脏从管状到腔室演化的关键过渡形态提供了不可替代的数据支撑。

助力海洋动物单细胞研究

该研究涵盖扇贝、蜗牛、章鱼、文昌鱼、七鳃鳗、条纹斑竹鲨等多种海洋及水生动物。百创DG1000单细胞平台以稳定的细胞捕获效率和高质量转录本覆盖度，成功完成了海鞘心脏单细胞数据的产出。研究团队通过DG1000平台捕获约20,000个海鞘心脏细胞，生成Gel Bead-in-Emulsions (GEMs)，经反转录、cDNA扩增及文库构建后，在NovaSeq 6000平台完成测序，保障了非模式物种心脏单细胞数据的可靠产出，助力研究团队构建跨物种心脏细胞整合图谱，鉴定出心肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞与神经细胞四大保守细胞基石。

关键发现：腔室起源与演化的空间证据

依托S系列空间芯片获取的海鞘心脏原位基因表达图谱，研究团队发现海鞘管状心脏的心肌层中，心室相关基因表达显著高于心包膜层，且心肌层表现出更低的转录组年龄指数（TAI），直接验证了”心室基因更为古老”的推断。结合Stereo-seq平台覆盖的其余12个物种空间数据，团队进一步验证了78个心房特异性基因与124个心室特异性基因的跨物种保守表达模式—这些基因仅占心脏表达基因的不到0.1%，却构成了高度精简的”分子核心”。

基于多平台数据，团队系统比较了管状心脏心肌细胞与腔室心脏房室心肌细胞的分子相似性，发现管状心脏心肌细胞与心室心肌细胞的相似性在两大支系中均强于与心房心肌细胞的相似性，最终提出”心室为先、心房为后”的房室起源新模型：双侧对称动物祖先的原始心脏可能呈现”心室样”泵血心肌特征，心房则是随后在心室样心肌细胞分化基础上，整合多种非心肌细胞后演化而来的次级创新。

发表单位

方宗熙海洋生物进化与发育研究中心为第一署名单位，海洋生物多样性与进化研究所为末位通讯单位。该成果是中国海洋大学倡导学科交叉、加强有组织基础研究的具体体现，得益于学校大生命学科跨单位间的交叉融合与研究团队间的通力合作，是学校跨单位开展基础研究重大科学问题联合攻关的典型范例。

方宗熙海洋生物进化与发育研究中心连姗姗副教授、王玮教授、韩文韬副教授、硕士研究生骆佳鑫、博士研究生李昱儒，海洋生物多样性与进化研究所、海洋生物多样性与进化教育部重点实验室芦美娜博士、博士研究生张雪娇，广东省人民医院博士研究生刘耀新与辽宁师范大学逄越教授为该论文的共同第一作者。海洋生物多样性与进化研究所赵龙教授以及方宗熙海洋生物进化与发育研究中心王玮教授及王师教授，青岛市妇女儿童医院泮思林教授，广东省人民医院费继峰教授，青岛华大生命科学研究院刘群研究员，为论文共同通讯作者。中国海洋大学苏颖教授、青岛大学王建勋教授、北京大学赵扬教授对本文亦有重要贡献。中国海洋大学董波教授与青岛华大生命科学研究院范广益研究员在项目协调与组织方面给予了大力支持。该工作获得崂山实验室、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。