河南农业大学科研团队在 Advanced Science(Q1/14.1) 发文!玉米抗南方锈病单细胞时空转录组新成果

南方玉米锈病（SCR）由多堆柄锈菌（Puccinia polysora）引发，是严重威胁全球玉米生产的重大真菌病害，可导致玉米减产 30%–50%，极端情况下绝收。尽管玉米抗锈病研究已取得一定进展，但病原菌侵染早期宿主细胞类型特异性防御机制仍不清晰。近日，河南农业科研团队在Advanced Science（IF=17.5，Q1）发表重要研究，首次整合单核转录组（snRNA-seq）与空间转录组（stRNA-seq），绘制玉米应答多堆柄锈菌侵染的高分辨率时空免疫图谱，系统解析细胞特异免疫调控网络，并鉴定出关键抗病 / 感病基因，为玉米抗南方锈病分子育种提供核心靶点与理论支撑。

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通讯作者及单位

Yanyong Cao (yanyongcao@126.com)

Institute of Cereal Crops, Henan Academy of Agricultural Sciences, The Shennong Laboratory, Zhengzhou, China

Canxing Duan (duancanxing@caas.cn)

Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences/State Key Laboratory of Crop Gene Resources and Breeding, Beijing, China

Yan Shi (shiyan@henau.edu.cn)

College of Plant Protection, State Key Laboratory of High-Efficiency Production of Wheat-Maize Double Cropping, Henan Agricultural University, Zhengzhou, China

核心内容

结果 1：明确多堆柄锈菌在玉米叶片的早期侵染关键时间点。研究以抗病自交系 Qi319 为材料，接种多堆柄锈菌后表型与组织学观察显示，24 hpi、48 hpi、72 hpi 均无可见症状，但荧光染色证实 24 hpi 病菌已通过气孔成功侵入，形成气孔下囊、初级菌丝与吸器母细胞；48 hpi 菌丝大量分支定殖并形成吸器；72 hpi 真菌进一步增殖。基于侵染进程，选定24 hpi 与 48 hpi为早期应答关键时间点开展组学研究。

结果 2：构建侵染后玉米叶片细胞类型转录组图谱。利用 snRNA-seq 对 12 个样本测序，获得 131,603 个高质量单细胞数据，聚类分群并结合植物细胞标记数据库注释，鉴定出8 种主要细胞类型，包括叶肉细胞、表皮细胞、维管束鞘细胞、 pavement 细胞、伴胞、薄壁细胞、维管组织和保卫细胞，其中叶肉细胞为最大细胞类群。GO 富集显示，叶肉细胞差异基因主要参与氧脂素生物合成、葡聚糖生物合成与光合作用等通路，同时明确各细胞类型特异性标记基因。

结果 3：绘制玉米叶片空间转录组图谱。通过 stRNA-seq 获得 21,388 个有效位点，基于空间坐标将位点分为 7 个聚类，注释为5 种主要细胞类型（表皮、叶肉、维管束鞘、维管组织、伴胞），精准呈现细胞在叶片组织的空间分布。表达分析表明，多堆柄锈菌侵染 24 hpi 与 48 hpi 后，表皮细胞与叶肉细胞的细胞类型特异性基因表达显著上调，证实二者是玉米抗锈早期应答核心细胞。

结果 4：免疫相关基因呈现细胞类型特异性表达模式。系统分析 PTI、ETI 通路及茉莉酸（JA）、水杨酸（SA）信号基因表达，发现RLPs/RLKs在 24 hpi 主要于叶肉与表皮细胞特异激活，其中 RLP 基因Zm00001eb170180在叶肉细胞显著上调；抗病基因（NL/CNL 型）表达呈现时空特异性。JA 与 SA 通路基因无明显细胞类型偏好，但整体在 24 hpi 激活，部分基因 48 hpi 延迟调控，关键转录因子ZmbHLH116在 48 hpi 特异激活。

结果 5：共表达网络解析侵染关键功能模块。WGCNA 分析鉴定 14 个基因模块，其中 turquoise 模块（维管束鞘）、greenyellow 模块（叶肉）、green 模块（表皮）与抗病应答高度相关。24 hpi 时，turquoise 模块（氧化应激、ROS 应答）与 greenyellow 模块（光系统组装、叶绿体定位）显著激活，green 模块（细胞壁生物合成、碳水化合物代谢）显著下调，揭示玉米早期防御以内部细胞激活应激与光保护通路、表皮细胞暂时抑制结构防御为特征。

结果 6：叶肉细胞分化轨迹揭示防御型亚型关键作用。拟时间分析重构叶肉细胞分化轨迹，将其分为光合型、前体型、转运型、海绵型与防御响应型5 个亚型。侵染后 24 hpi，防御响应型叶肉细胞比例显著上升，是免疫应答核心亚型；该亚型差异基因富集于胁迫应答、脱落酸信号、ROS 响应，关键基因ZmCIP1在叶肉细胞特异上调。

结果 7：细胞间通讯揭示表皮 - 叶肉的防御信号传递。基于 PlantPhoneDB 分析细胞间通讯（CCC），发现表皮、叶肉、维管束鞘细胞存在显著互作。侵染后表皮细胞ZmHSP90与叶肉细胞ZmWAK2形成特异通讯对，ZmGST3（表皮）-Zm00001eb061210（叶肉）通讯在单细胞与空间数据中均被验证，24 hpi 相关基因显著上调，证实表皮到叶肉的信号传递是早期防御关键环节。

结果 8：鉴定并验证玉米抗南方锈病关键基因。联合 snRNA-seq 与 stRNA-seq 筛选叶肉与表皮细胞共有的 5 个核心差异基因，VIGS 功能验证显示：沉默ZmXET1（木葡聚糖内转糖苷酶）显著降低病情指数与病菌生物量，为感病因子；沉默正调控因子ZmRBG（RNA 结合富甘氨酸蛋白）则显著增强感病性，明确二者在玉米抗锈中的反向调控作用。

图解

图 1：展示多堆柄锈菌在玉米叶片的侵染进程，包括不同时间点表型、WGA 荧光染色观察病菌结构、荧光信号定量与病菌生物量测定，确定 24 hpi 与 48 hpi 为关键早期时间点。

图 2：呈现玉米叶片单细胞转录组实验流程、细胞聚类分群、8 种细胞类型注释、叶肉细胞 GO 富集与各细胞类型标记基因表达特征，构建细胞类型转录谱。

图 3：展示空间转录组细胞聚类、组织空间定位、5 种细胞类型注释、标记基因表达及侵染后细胞类型基因表达变化，突出表皮与叶肉细胞的核心作用。

图 4：解析 PTI/ETI、JA/SA 通路基因在不同细胞类型与时间点的表达模式，展示关键基因的单细胞与空间表达定位及统计学差异。

图 5：呈现 WGCNA 模块与细胞类型关联、核心模块基因网络与表达热图、GO 富集、枢纽基因拓扑分析及关键枢纽基因的表达验证。

图 6：展示叶肉细胞拟时间分化轨迹、功能亚型分类、侵染后轨迹差异、亚型比例变化、GO 富集及关键防御基因表达验证。

图 7：通过弦图、互作矩阵、通讯网络展示表皮 - 叶肉 - 维管束鞘细胞间通讯，解析关键配体 - 受体对及侵染后的表达变化。

图 8：展示不同细胞类型差异基因、核心基因筛选、关键基因表达验证，及 VIGS 沉默后病情表型、病菌生物量与细胞结构损伤分析。

展望

本研究建立玉米抗南方锈病的单细胞 - 空间整合转录组图谱，突破传统组学 “均质化” 局限，精准解析细胞类型特异免疫网络，鉴定出ZmXET1与ZmRBG两个育种关键基因。未来可结合抗病 / 感病材料对比、蛋白组与代谢组整合，深入解析基因调控机制；同时利用基因编辑靶向修饰ZmXET1、过表达ZmRBG，培育高抗南方锈病玉米新品种。该研究为植物与锈菌互作的细胞免疫机制提供新范式，也为玉米抗病分子育种提供核心资源与精准靶点。