甘蔗（Saccharum spp.）是全球最重要的糖料和能源作物，貢獻了約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，抗病機制的解析面臨巨大挑戰，尤其在宿主-病原互作方面，細胞類型特異性響應機制的認識有限，且難以精準定位抗病基因，嚴重影響了現代育種技術的應用。

 

　　單細胞轉錄組測序技術在甘蔗-黑穗病菌互作研究中的應用，能有效構建病菌侵染過程的單細胞圖譜，揭示細胞類型特異調控機制，并精準定位抗病基因，最終推動基于細胞精細調控的分子育種策略開發。為此，本研究首先優化了甘蔗原生質體提取方法，并利用scRNA-seq對黑穂病菌侵染后的甘蔗芽中65,660個細胞進行了分析，系統識別了不同類型細胞的“身份標記基因”，并揭示了不同抗性甘蔗品種對黑穗病菌侵染的多樣化細胞響應機制。

 

　　研究結果表明，抗病品種YT93-159和感病品種ROC22在面對病菌侵染時，各類細胞中免疫相關基因的活躍程度并不一樣，這說明甘蔗的抗病能力和細胞類型密切相關。此外，研究還通過“偽時間軌跡分析”模擬了甘蔗芽在生長過程中不同細胞類型的發育路徑，找出了在細胞命運轉變中起關鍵作用的調控基因，這些基因大多與植物激素響應和代謝活動有關。研究還發現一個水楊酸信號通路相關基因ScNPR3，在甘蔗分生組織細胞發育過程中扮演著重要角色，該基因的表達受黑穗病菌侵染的誘導，并在細胞核中與轉錄因子ScTGA2相互合作，進而抑制植物的免疫反應。這一發現暗示在甘蔗對抗黑穗病的過程中，ScNPR3可能通過協調生長與免疫反應發揮關鍵作用。

 

　　該研究成果以“Cellular heterogeneity and immune responses to smut pathogen in sugarcane”為題發表于《Plant Biotechnology Journal》。中國熱科院生物所/福建農林大學聯合培養博士研究生臧守建和熱帶作物生物育種全國重點實驗/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實驗室闕友雄研究員、吳期濱副研究員和崖州灣國家實驗室/廣西大學王海峰教授為本文共同通訊作者。該研究得到國家熱帶農業科學中心科技創新團隊、國家自然科學基金、熱帶作物生物育種全國重點實驗室科研項目、國家重點研發計劃、中央引導地方科技發展專項、國家糖料產業技術體系和福建農林大學科技創新專項資金等項目的聯合資助。

 

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