单细胞转录组+空间转录组技术构建玉米应答南方锈病侵染早期的高分辨率时空转录图谱丨Advanced Science

近年来，单细胞转录组和空间转录组技术的突破为植物与病原物互作研究带来了前所未有的精度提升：前者能够在单个细胞水平上解析基因表达，揭示植物应答病原侵染时的细胞异质性；后者则能够绘制基因在组织内的空间表达图谱，追踪特定位置和时间下的转录动态。两者的整合为解析植物免疫的分子机制提供了全新视角，直观地揭示了不同细胞类型和组织区域如何协同应对外界威胁。

由多堆柄锈菌引起的玉米南方锈病是我国一类农作物病害，在黄淮海夏玉米产区造成严重的产量损失，严重我威胁粮食安全。近日，河南农业大学植物保护学院施艳团队联合河南省农业科学院粮食作物研究所曹言勇团队、中国农业科学院作物科学研究所段灿星团队在Advanced Science期刊发表“Integrated Single-Cell and Spatial Transcriptomics Reveal Cell-type-specific Immune Regulatory Networks in Maize Responding to Southern Corn Rust”研究性文章。

该研究整合单细胞转录组和空间转录组技术，构建了玉米应答南方锈病侵染早期的高分辨率时空转录图谱。首次系统描绘了8种主要叶片细胞类型在病原菌侵染过程中的转录动态，揭示了表皮细胞和叶肉细胞在早期免疫中的核心作用，并明确了不同细胞类型在免疫响应中的功能分工。并挖掘出了ZmXET1和ZmRBG为玉米防御南方锈病的关键基因，为抗病育种提供了有价值的靶点。

本研究明确了锈菌侵染玉米叶片的关键早期时间点，确定了24 hpi和48 hpi被选定为研究早期侵染的关键时间点。通过snRNA-seq，研究从超过13万个高质量细胞核中，鉴定出玉米叶片的8种主要细胞类型，包括叶肉细胞、表皮细胞、维管束鞘细胞等，并找到了每种细胞的标记基因，为后续研究奠定了基础（图1）。利用stRNA-seq，研究将基因表达数据映射回叶片组织的原始空间位置，构建了空间转录图谱。结果显示，表皮细胞和叶肉细胞是锈菌侵染后基因表达变化最显著的区域，表明它们是早期防御反应的核心参与者。

接下来研究发现了不同细胞类型在免疫反应中扮演着不同角色，编码识别受体的RLP和RLK基因主要在叶肉和表皮细胞中激活，其中Zm00001eb170180基因在24 hpi的叶肉细胞中表达变化最为显著。大部分NL类抗病基因在侵染后被抑制，而部分CNL类基因则在特定细胞中被激活。在激素信号通路中，茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）通路在侵染后被激活，但并没有表现出明显的细胞特异性（图2）。通过WGCNA共表达网络分析，研究揭示了玉米叶片防御反应的重编程过程：例如，在24 hpi，在维管束鞘和叶肉细胞中，激活了应激响应（如活性氧清除）和光保护相关通路。同时，发现在表皮细胞中，细胞壁生物合成通路被显著抑制。

通过综合分析多个细胞类型和时间点的差异表达基因，研究研究聚焦于5个核心基因。其中，ZmXET1（木葡聚糖内转糖苷酶）在侵染后显著下调，而ZmRBG（RNA结合蛋白）则显著上调。为了验证它们的功能，本研究利用VIGS技术分别沉默这两个基因，沉默ZmXET1后玉米叶片病斑更小，病原菌生物量显著降低，表明ZmXET1是一个感病因子。沉默ZmRBG后玉米叶片病斑更大，病原菌生物量显著增加，表明ZmRBG是一个抗病因子，在抵抗病菌中发挥积极作用（图3）。

总的来说，本研究首次构建了玉米防御南方锈病的高分辨率时空转录图谱，不仅揭示了不同细胞类型在免疫中的“分工合作”，还成功鉴定并验证了两个关键基因的功能。这一发现深化了对寄主—病原物互作分子机制的理解，为揭示玉米抗锈病的细胞类型特异性免疫调控网络提供了新视角，也为病害绿色防控策略的制定奠定了重要的理论基础。

河南农业大学植物保护学院粮食作物病虫害检测与防控创新团队施艳教授、河南省农业科学院粮食作物研究所/神农种业实验室曹言勇研究员和中国农业科学院作物科学研究所段灿星研究员为共同通讯作者。河南农业大学植物保护学院粮食作物病虫害检测与防控创新团队青年教师王琼琼博士、河南省农业科学院粮食作物研究所在站博士后孙新艳副研究员、河南农业大学在站博士后孙迎超及河南省农业科学院粮食作物研究所程泽强研究员为论文共同第一作者。河南农业大学汤继华教授、李洪连教授给予本研究重要支持和修改。本研究得到河南省重点研发计划、联创种业科企合作项目、河南省农业科学院新兴学科专项、中国农业科学院农业科技创新工程、河南省高校创新科研团队、河南省科学技术协会青年人才托举计划项目及河南省现代农业产业技术体系等项目联合资助。感谢中国农业科学院作物科学研究所翁建峰研究员、中国农业大学周涛教授为本项目提供的指导与帮助。