摘要：植物在自然界中时刻面临着各种微生物的威胁，为此进化出了一套精密的免疫系统。这套系统如同一支训练有素的军队，通过细胞表面的“哨兵”（模式识别受体）识别病原体通用特征，触发第一层防线——模式触发的免疫（PTI）；或通过细胞内的“特工”（NLR受体）识别病原菌的“秘

植物在自然界中时刻面临着各种微生物的威胁，为此进化出了一套精密的免疫系统。这套系统如同一支训练有素的军队，通过细胞表面的“哨兵”（模式识别受体）识别病原体通用特征，触发第一层防线——模式触发的免疫（PTI）；或通过细胞内的“特工”（NLR受体）识别病原菌的“秘密武器”（效应子），启动更强烈的第二层防线——效应子触发的免疫（ETI）。然而，道高一尺魔高一丈，成功的病原菌（适应性病原菌）也进化出了规避或抑制植物免疫的策略，从而导致植物感病。小麦赤霉病就是由适应性病原菌禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）引起的毁灭性病害，严重威胁全球粮食安全。解析小麦与禾谷镰刀菌互作的分子机制，尤其是病原菌如何“攻破”植物防线，对于培育抗病品种至关重要。传统的转录组学研究如同将整个战场的情报“一锅烩”，掩盖了不同细胞类型在“战役”中扮演的独特角色。因此，我们需要更高分辨率的“战场地图”来洞察这场攻防战的细节。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所的Wei-Hua Tang团队在国际知名期刊Developmental Cell上发表了题为“Single-cell transcriptomic analysis highlights specific cell types manipulated byFusariumhead blight fungus leading to wheat susceptibility”的论文。该研究利用单细胞RNA测序技术，首次绘制了小麦胚芽鞘在响应适应性病原菌禾谷镰刀菌（Fgr）和非适应性病原菌香蕉枯萎病菌（Foc）侵染过程中的动态转录图谱，揭示了小麦通过细胞类型特异性的区室化免疫策略来抵御病原菌，而适应性病原菌Fgr则通过精准抑制关键细胞的早期免疫应答，并操纵特定细胞进入“沉默”状态，从而成功侵染并导致小麦感病的分子机制。

研究团队首先建立了一个可靠的实验系统。他们分别用适应性病原菌Fgr和非适应性病原菌Foc侵染小麦幼苗的胚芽鞘。表型观察显示，Fgr能够快速定植并导致病斑持续扩大，而Foc的生长则被有效限制在接种点附近，表现出典型的非寄主抗性（图1）。基于此模型，团队在感染后的不同时间点（0、1、2、3天）收集样本，成功分离了超过9万个高质量的单细胞，并构建了它们的全长转录组文库。这为在单细胞分辨率下解析小麦与病原菌的“军备竞赛”奠定了坚实的基础（图2）。

为了识别胚芽鞘中的不同“兵种”（细胞类型），研究人员首先对未经侵染的健康样本进行分析，通过单细胞转录组聚类，将细胞划分为15个不同的亚群。随后，他们巧妙地结合了激光显微切割技术（LCM-seq）提供的空间位置信息和已知标记基因的表达模式，最终将这些细胞亚群精确地注释为8种主要的细胞类型，包括：气孔、表皮细胞、含绿体薄壁细胞、薄壁组织细胞、维管束外鞘、维管束内鞘、韧皮部和形成层。这项工作成功绘制了小麦胚芽鞘的首张单细胞分辨率的“细胞地图”，为后续的功能研究提供了精确导航（图3）。

通过比较病原菌侵染后各细胞类型的基因表达变化，研究发现小麦的免疫响应并非“一刀切”，而是表现出高度的细胞异质性。其中，韧皮部和维管束外鞘细胞是响应镰刀菌侵染的“先锋部队”，其基因表达变化最为迅速和剧烈。在面对非适应性病原菌Foc时，小麦的免疫系统被迅速激活，尤其是在韧皮部和外鞘细胞中，大量免疫相关基因的表达显著上调，形成了一道坚固的“区室化”防线。然而，在面对适应性病原菌Fgr时，尽管后期免疫反应看似更为广泛，但在侵染的早期阶段（1-2天），这些关键细胞的免疫应答却被显著地延迟和削弱了（图4）。这表明，Fgr可能已经掌握了“精确打击”的策略，通过抑制“先锋部队”的早期反应来为后续的入侵争取时间。

深入分析PTI、ETI及次生代谢等关键免疫通路后，研究人员发现，在非寄主抗性（抵御Foc）中，不同细胞类型分工明确、协同作战。例如，病原体识别、信号传导、抗菌物质（如植物抗毒素和木质素）的合成等不同防御模块，在表皮、外鞘和韧皮部等不同细胞中被精确地时空激活，构成了一个高效的“区室化”防御网络。然而，在感病互作（Fgr侵染）中，这个协同网络被打破了，各免疫模块的激活变得杂乱无章且严重滞后，最终导致防线崩溃（图5）。

显微观察证实，Fgr主要在薄壁组织细胞间隙中生长蔓延。有趣的是，单细胞数据揭示，在Fgr侵染过程中，薄壁组织细胞的比例逐渐减少，而维管束外鞘样细胞的比例则相应增加。通过拟时序轨迹分析，研究团队发现，Fgr侵染会诱导薄壁细胞进入一条独特的、不同于正常防御反应的细胞状态转变路径。在这条路径上，细胞的防御能力被削弱，而一些可能有利于病原菌定植的代谢过程则被激活。这表明，Fgr不仅是被动地入侵，更是在主动地“改造”寄主环境，将薄壁细胞“策反”为适合其生存的“温床”（图6）。

含绿体薄壁细胞是植物进行光合作用的主要场所，同时也参与免疫应答。该研究发现了一个令人惊讶的现象：在侵染早期（第1天），Fgr能够特异性地诱导一部分含绿体薄壁细胞进入一种低转录活性的“沉默”状态。处于该状态的细胞，其整体基因表达水平显著下降，光合作用和防御相关基因的表达被严重抑制。相比之下，非适应性病原菌Foc则不具备此能力。这种对含绿体薄壁细胞的“沉默”策略，可能是Fgr在侵染初期逃避寄主识别、保存能量、建立侵染根基的关键一步（图7）。

本研究通过单细胞转录组学技术，以前所未有的分辨率揭示了小麦与镰刀菌互作的细胞和分子动态。研究结果表明，小麦对非适应性病原菌的成功防御，依赖于一个跨越多种细胞类型的、时空上高度协同的区室化免疫网络。而小麦对赤霉病菌的感病，则源于病原菌进化出的一套精准而高效的“反防御”策略。这套策略包括：（1）缓兵之计：在侵染早期，抑制关键免疫细胞（韧皮部和外鞘）的防御反应；（2）釜底抽薪：诱导重要的防御细胞（含绿体薄壁细胞）进入转录“沉默”状态，使其功能瘫痪；（3）改造环境：操纵主要的被侵染细胞（薄壁细胞），使其状态向有利于病原菌生存和繁殖的方向发展。

这项研究不仅深化了我们对植物-病原菌互作复杂性的理解，也为作物抗病育种提供了全新的视角和策略。它精准地指出了赤霉病菌在侵染过程中的“软肋”——那些被其操纵的特定细胞类型和分子通路。未来，通过基因编辑等现代生物技术手段，靶向修复这些被病原菌利用的寄主“漏洞”，或特异性地增强关键细胞类型的防御能力，有望开发出更加持久和广谱的抗赤霉病小麦新品种，为保障世界粮食安全贡献重要力量。

来源：蓝蓝爱科学