PBJ |段灿星/万向元/曹言勇等联合揭示玉米抗茎腐病的分子调控网络

茎腐病是玉米最重要的全球性病害之一，引起玉米产量损失，病害导致的倒伏是玉米机收的制约因素，病原菌产生的毒素影响食品和饲料安全。玉米茎腐病致病菌复杂多变，且在玉米整个生育期对多个部位进行侵染，使得病害抗性机理研究尤为复杂。在我国玉米主产区，拟轮枝镰孢菌（Fusarium verticillioides, Fv）已成为茎腐病的重要致病菌，也是玉米穗腐病的主要致病因子。然而，有关玉米对Fv引起的镰孢茎腐病（FSR）的抗性研究甚少，在Fv与玉米植株之间的互作及玉米抵御Fv入侵的分子机制和调控网络方面均不明确。在当前小麦玉米连作、玉米大豆复合种植等日趋成为主流耕作制度及机械收获、秸秆还田等措施广泛应用的背景下，开展FSR抗性分子机理和调控途径研究，对玉米抗病育种具有重要意义。

2023年6月23日，中国农科院作科所段灿星团队、北京科技大学/北京中智生物农业国际研究院万向元/龙艳团队、河南农科院粮作所曹言勇研究小组，联合在Plant Biotechnology Journal在线发表题为“Single-cell RNA sequencing profiles reveal cell type-specific transcriptional regulation networks conditioning fungal invasion in maize roots”研究论文，通过单细胞测序绘制玉米根尖高分辨率细胞图谱，阐明玉米根尖主要细胞类型对镰孢菌侵染根系的应答机制和关键基因调控模块，结合整合生物信息学及机器学习等方法首次构建了玉米根尖免疫调控网络，加深了对玉米精准调控根尖生长发育与抵御真菌侵染平衡过程的认识，为解析玉米抗病分子机制及抗病育种奠定了基础。

该团队发现玉米茎腐病病原菌Fv在土壤或者孢子悬浮液中，均是通过识别玉米根尖区域来起始侵染。利用Fv菌丝接种物对玉米根尖进行侵染发现，Fv侵染后不同时间点，抗病自交系Qi319和感病自交系B104虽然在症状严重程度和病斑扩散速度上有差异，但症状一直出现在根尖上部区域而非顶端分生组织（RAM），表明RAM区域对Fv免疫（图1）。

图1. 玉米幼苗根中Fv侵染及鉴定体系的建立

Fv侵染和模拟接种（MK）的抗、感自交系在接种48 h后收集约5 mm根尖，分离原生质体，进行10重单细胞测序（scRNA-seq）；10×scRNA-seq数据经过处理后划分为21个clusters，据此鉴定出1950个细胞类型标记基因。鉴于只有很少的经过实验验证的细胞类型标记基因可用于细胞类型鉴定，作者选取只在某一cluster或某两clusters中高表达的基因，确定为细胞类型特异的候选标记基因，经过原位杂交验证，共鉴定出玉米根部7个主要细胞类型（图2）；并对RAM和根冠（RC）之间的发育状态和持续分化轨迹进行了探究。

图2. 玉米根尖单细胞测序、cluster 注释和细胞类型鉴定

通过对抗、感材料不同细胞类型中Fv侵染响应基因进行生信分析，发现玉米根尖主要细胞类型通过多种抗病相关信号途径应对Fv入侵。通过加权基因共表达网络分析（WGCNA），从7种主要细胞类型中Fv侵染后表达上调或下调的4049个差异表达基因（DEG）中鉴定了12个Fv响应关键调控模块（图3）。

图3. 玉米根尖7种主要细胞类型中响应Fv侵染共表达调控模块和关键网络

Fv侵染后，对RAM中差异表达的ZmWOX5b和ZmPIN1a基因在抗病分子信号途径中的功能进行研究，发现ZmWOX5b和ZmPIN1a通过调节IAA生物合成，从而在根尖中形成IAA浓度梯度，通过促进玉米根系伸长来保护RAM免受Fv侵染（图4）。此外，验证了苯丙烷途径相关基因（ZmPAL6, ZmCOMT和ZmCCoAOMT2）在不同细胞类型中调控木质素合成进而参与抗病防卫反应。

图4. ZmWOX5b和ZmPIN1a通过调节IAA信号抑制Fv侵染玉米RAM

基于机器学习，通过整合不同细胞类型特异性Fv响应关键基因调控模块，16个已知玉米抗病基因、上述5个被功能验证基因及文献报道预测的42个FSR抗性相关DEG调控网络，作者最终构建了6个玉米根尖细胞类型特异性的免疫调控网络（图5）。

图5. 玉米根尖细胞类型特异性的6个免疫调控网络

总之，该研究不仅提供了玉米根系发育过程中细胞命运决定的全局视角，还从单细胞水平上深入解析了玉米根尖主要细胞类型的免疫调控网络，从而为阐明玉米抗病分子机制和抗病育种奠定了基础。

本研究主要依托中国农业科学院作物科学研究所、河南省农业科学院粮食作物研究所、北京科技大学生物农业研究院和北京中智生物农业国际研究院等单位联合完成，河南农科院曹言勇副研究员和马娟博士为该论文共同第一作者，中国农科院段灿星研究员、北京科技大学龙艳教授和万向元教授为共同通讯作者。河南农业大学/神农实验室汤继华教授、库丽霞教授，山东农业大学李向东教授，美国密苏里大学（现Inari Agriculture）张展元教授等也参与了该研究。研究得到国家重点研发计划、中国农业科学院农业科技创新工程等项目联合资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14097

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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