2023年6月22日，神农实验室、我院粮作所联合中国农科院作科所、北京科技大学等单位合作研究，通过单细胞测序在全球首次绘制了植物根尖应答病原菌侵染的高分辨率细胞图谱，阐明了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；首次发现了病原菌识别玉米根尖起始侵染而根尖顶端分生组织（RAM）对病原菌免疫的现象，并部分回答了这一科学问题；创新性构建了玉米根尖免疫调控网络，为解析玉米广谱抗病分子机制及抗病育种奠定了重要基础。相关研究成果以“Single-cell RNA sequencing profiles reveal cell type-specific transcriptional regulation networks conditioning fungal invasion in maize roots”为题在线发表于《植物生物技术（Plant Biotechnology Journal）》（CiteScore=19.2, IF=13.8；中科院一区顶级期刊，植物科学领域研究型非综述期刊第三名）。

 

 

       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，对玉米抗病新品种选育具有重要意义。

 

       研究人员利用Fv侵染抗、感茎腐病的玉米自交系根尖，通过对原生质体进行单细胞测序并结合原位杂交验证，共鉴定出玉米根尖7个主要细胞类型。对抗、感材料不同细胞类型中Fv侵染响应基因分析，发现玉米根尖主要细胞类型通过多种抗病信号途径应对Fv入侵并鉴定了12个Fv响应关键调控模块。对根尖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研究发现，这些基因通过调节吲哚乙酸（IAA）生物合成及转运，在根尖中改变IAA浓度梯度，从而促进玉米根系伸长来保护RAM免受Fv侵染。结合整合生物信息学及机器学习等方法构建了6个玉米根尖细胞类型特异性的免疫调控网络。本研究首次提供了玉米根系发育过程中细胞命运决定的全局视角，创新性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，为阐明玉米广谱抗病分子机制奠定了坚实基础，同时为抗病新品种选育提供了重要理论支撑。

 

玉米根尖细胞类型特异性的免疫调控网络

 

       我院粮作所曹言勇副研究员和马娟博士为该论文共同第一作者。中国农科院作科所段灿星研究员、北京科技大学龙艳教授和万向元教授为共同通讯作者。神农实验室、河南农业大学汤继华教授、库丽霞教授，山东农业大学、山东省农业科学院李向东教授，美国密苏里大学、Inari Agriculture张展元教授等也参与了该研究。该研究得到国家重点研发计划，中国农业科学院科技创新工程和国家留学基金委公派访问学者等项目的资助。