甘蔗（Saccharum spp.）是全球最重要的糖料和能源作物，貢獻(xiàn)了約80%的食糖和40%的生物乙醇。然而，甘蔗極易感染由鞭黑粉菌（Sporisorium scitamineum）引起的黑穗病，造成顯著的產(chǎn)量和糖分損失，且宿根年限縮短。多倍體甘蔗因其基因組龐大（~10 Gb）和高度雜合，抗病機(jī)制的解析面臨巨大挑戰(zhàn)，尤其在宿主-病原互作方面，細(xì)胞類型特異性響應(yīng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)有限，且難以精準(zhǔn)定位抗病基因，嚴(yán)重影響了現(xiàn)代育種技術(shù)的應(yīng)用。

 

　　單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)在甘蔗-黑穗病菌互作研究中的應(yīng)用，能有效構(gòu)建病菌侵染過程的單細(xì)胞圖譜，揭示細(xì)胞類型特異調(diào)控機(jī)制，并精準(zhǔn)定位抗病基因，最終推動(dòng)基于細(xì)胞精細(xì)調(diào)控的分子育種策略開發(fā)。為此，本研究首先優(yōu)化了甘蔗原生質(zhì)體提取方法，并利用scRNA-seq對(duì)黑穂病菌侵染后的甘蔗芽中65,660個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了分析，系統(tǒng)識(shí)別了不同類型細(xì)胞的“身份標(biāo)記基因”，并揭示了不同抗性甘蔗品種對(duì)黑穗病菌侵染的多樣化細(xì)胞響應(yīng)機(jī)制。

 

　　研究結(jié)果表明，抗病品種YT93-159和感病品種ROC22在面對(duì)病菌侵染時(shí)，各類細(xì)胞中免疫相關(guān)基因的活躍程度并不一樣，這說明甘蔗的抗病能力和細(xì)胞類型密切相關(guān)。此外，研究還通過“偽時(shí)間軌跡分析”模擬了甘蔗芽在生長過程中不同細(xì)胞類型的發(fā)育路徑，找出了在細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變中起關(guān)鍵作用的調(diào)控基因，這些基因大多與植物激素響應(yīng)和代謝活動(dòng)有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)一個(gè)水楊酸信號(hào)通路相關(guān)基因ScNPR3，在甘蔗分生組織細(xì)胞發(fā)育過程中扮演著重要角色，該基因的表達(dá)受黑穗病菌侵染的誘導(dǎo)，并在細(xì)胞核中與轉(zhuǎn)錄因子ScTGA2相互合作，進(jìn)而抑制植物的免疫反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)暗示在甘蔗對(duì)抗黑穗病的過程中，ScNPR3可能通過協(xié)調(diào)生長與免疫反應(yīng)發(fā)揮關(guān)鍵作用。

 

　　該研究成果以“Cellular heterogeneity and immune responses to smut pathogen in sugarcane”為題發(fā)表于《Plant Biotechnology Journal》。中國熱科院生物所/福建農(nóng)林大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生臧守建和熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)/中國熱科院生物所吳期濱副研究員為該論文的共同第一作者。中國熱科院生物所/熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室闕友雄研究員、吳期濱副研究員和崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室/廣西大學(xué)王海峰教授為本文共同通訊作者。該研究得到國家熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)中心科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、國家自然科學(xué)基金、熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)、國家糖料產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系和福建農(nóng)林大學(xué)科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。

 

　　論文鏈接：http://doi.org/10.1111/pbi.70084