2023年6月22日，神農(nóng)實(shí)驗(yàn)室、我院糧作所聯(lián)合中國農(nóng)科院作科所、北京科技大學(xué)等單位合作研究，通過單細(xì)胞測序在全球首次繪制了植物根尖應(yīng)答病原菌侵染的高分辨率細(xì)胞圖譜，闡明了玉米根尖主要細(xì)胞類型對鐮孢菌侵染根系的應(yīng)答機(jī)制和關(guān)鍵基因調(diào)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(xué)問題；創(chuàng)新性構(gòu)建了玉米根尖免疫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為解析玉米廣譜抗病分子機(jī)制及抗病育種奠定了重要基礎(chǔ)。相關(guān)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(shù)（Plant Biotechnology Journal）》（CiteScore=19.2, IF=13.8；中科院一區(qū)頂級期刊，植物科學(xué)領(lǐng)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(chǎn)量損失，病害導(dǎo)致的倒伏是玉米機(jī)收的制約因素，病原菌產(chǎn)生的毒素影響食品和飼料安全。玉米莖腐病致病菌復(fù)雜多變，且在玉米整個生育期對多個部位進(jìn)行侵染，使得病害抗性機(jī)理研究尤為復(fù)雜。在我國玉米主產(chǎn)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(guān)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(jī)制和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)方面均不明確。在當(dāng)前小麥玉米連作、玉米大豆復(fù)合種植等日趨成為主流耕作制度及機(jī)械收獲、秸稈還田等措施廣泛應(yīng)用的背景下，開展FSR抗性分子機(jī)理和調(diào)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(zhì)體進(jìn)行單細(xì)胞測序并結(jié)合原位雜交驗(yàn)證，共鑒定出玉米根尖7個主要細(xì)胞類型。對抗、感材料不同細(xì)胞類型中Fv侵染響應(yīng)基因分析，發(fā)現(xiàn)玉米根尖主要細(xì)胞類型通過多種抗病信號途徑應(yīng)對Fv入侵并鑒定了12個Fv響應(yīng)關(guān)鍵調(diào)控模塊。對根尖RAM中差異表達(dá)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(diào)節(jié)吲哚乙酸（IAA）生物合成及轉(zhuǎn)運(yùn)，在根尖中改變IAA濃度梯度，從而促進(jìn)玉米根系伸長來保護(hù)RAM免受Fv侵染。結(jié)合整合生物信息學(xué)及機(jī)器學(xué)習(xí)等方法構(gòu)建了6個玉米根尖細(xì)胞類型特異性的免疫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。本研究首次提供了玉米根系發(fā)育過程中細(xì)胞命運(yùn)決定的全局視角，創(chuàng)新性從單細(xì)胞水平上深入解析了玉米根尖主要細(xì)胞類型的免疫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為闡明玉米廣譜抗病分子機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時為抗病新品種選育提供了重要理論支撐。

 

玉米根尖細(xì)胞類型特異性的免疫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

 

       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(nóng)科院作科所段燦星研究員、北京科技大學(xué)龍艷教授和萬向元教授為共同通訊作者。神農(nóng)實(shí)驗(yàn)室、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)湯繼華教授、庫麗霞教授，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院李向東教授，美國密蘇里大學(xué)、Inari Agriculture張展元教授等也參與了該研究。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程和國家留學(xué)基金委公派訪問學(xué)者等項(xiàng)目的資助。