2023年6月22日，神農實驗室、我院糧作所聯(lián)合中國農科院作科所、北京科技大學等單位合作研究，通過單細胞測序在全球首次繪制了植物根尖應答病原菌侵染的高分辨率細胞圖譜，闡明了玉米根尖主要細胞類型對鐮孢菌侵染根系的應答機制和關鍵基因調控模塊；首次發(fā)現(xiàn)了病原菌識別玉米根尖起始侵染而根尖頂端分生組織（RAM）對病原菌免疫的現(xiàn)象，并部分回答了這一科學問題；創(chuàng)新性構建了玉米根尖免疫調控網(wǎng)絡，為解析玉米廣譜抗病分子機制及抗病育種奠定了重要基礎。相關研究成果以“Single-cell RNA sequencing profiles reveal cell type-specific transcriptional regulation networks conditioning fungal invasion in maize roots”為題在線發(fā)表于《植物生物技術（Plant Biotechnology Journal）》（CiteScore=19.2, IF=13.8；中科院一區(qū)頂級期刊，植物科學領域研究型非綜述期刊第三名）。

 

 

       莖腐病是玉米最重要的全球性病害之一，引起玉米產量損失，病害導致的倒伏是玉米機收的制約因素，病原菌產生的毒素影響食品和飼料安全。玉米莖腐病致病菌復雜多變，且在玉米整個生育期對多個部位進行侵染，使得病害抗性機理研究尤為復雜。在我國玉米主產區(qū)，擬輪枝鐮孢菌（Fusarium verticillioides, Fv）已成為莖腐病的重要致病菌，也是玉米穗腐病的主要致病因子。然而，有關玉米對Fv引起的鐮孢莖腐病（FSR）的抗性研究甚少，在Fv與玉米植株之間的互作及玉米抵御Fv入侵的分子機制和調控網(wǎng)絡方面均不明確。在當前小麥玉米連作、玉米大豆復合種植等日趨成為主流耕作制度及機械收獲、秸稈還田等措施廣泛應用的背景下，開展FSR抗性分子機理和調控途徑研究，對玉米抗病新品種選育具有重要意義。

 

       研究人員利用Fv侵染抗、感莖腐病的玉米自交系根尖，通過對原生質體進行單細胞測序并結合原位雜交驗證，共鑒定出玉米根尖7個主要細胞類型。對抗、感材料不同細胞類型中Fv侵染響應基因分析，發(fā)現(xiàn)玉米根尖主要細胞類型通過多種抗病信號途徑應對Fv入侵并鑒定了12個Fv響應關鍵調控模塊。對根尖RAM中差異表達的ZmWOX5b和ZmPIN1a基因在抗病分子信號途徑中的功能研究發(fā)現(xiàn)，這些基因通過調節(jié)吲哚乙酸（IAA）生物合成及轉運，在根尖中改變IAA濃度梯度，從而促進玉米根系伸長來保護RAM免受Fv侵染。結合整合生物信息學及機器學習等方法構建了6個玉米根尖細胞類型特異性的免疫調控網(wǎng)絡。本研究首次提供了玉米根系發(fā)育過程中細胞命運決定的全局視角，創(chuàng)新性從單細胞水平上深入解析了玉米根尖主要細胞類型的免疫調控網(wǎng)絡，為闡明玉米廣譜抗病分子機制奠定了堅實基礎，同時為抗病新品種選育提供了重要理論支撐。

 

玉米根尖細胞類型特異性的免疫調控網(wǎng)絡

 

       我院糧作所曹言勇副研究員和馬娟博士為該論文共同第一作者。中國農科院作科所段燦星研究員、北京科技大學龍艷教授和萬向元教授為共同通訊作者。神農實驗室、河南農業(yè)大學湯繼華教授、庫麗霞教授，山東農業(yè)大學、山東省農業(yè)科學院李向東教授，美國密蘇里大學、Inari Agriculture張展元教授等也參與了該研究。該研究得到國家重點研發(fā)計劃，中國農業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程和國家留學基金委公派訪問學者等項目的資助。