近日，国家重点实验室PI段会军教授团队联合北京格致博雅生物科技有限公司、中科院遗传与发育生物学研究所利用单细胞测序技术解析了抗南方锈病玉米自交系R99叶片组织细胞类型特异性的抗病调控机制，并鉴定了抗玉米南方锈病的关键抗病基因和相关分子标记位点，为进一步玉米抗锈病育种奠定了基础。相关研究成果以“Single-cell transcriptomic profiling of maize cell heterogeneity and systemic immune responses against Puccinia polysora Underw”为题在线发表于植物学领域权威期刊Plant Biotechnology Journal（中科院一区， IF= 10.1）。

玉米生育期易受多种病虫害威胁，其中南方锈病是一种流行速度快、对产量影响严重的主要病害，挖掘和利用抗性基因是培育抗南方锈病品种的关键。目前，我们对玉米南方锈病抗性的分子机制和关键基因有待深入挖掘。已发表的多篇植物抗病研究均指出：植物免疫应答基因表达具有细胞类型特异性，单细胞转录组测序可以探索细胞类型特异性的基因功能和调控机制，对抗锈病基因挖掘具有重要价值。

该团队首先基于单细胞转录组测序技术，构建了抗病玉米自交系R99和感病玉米自交系N110在未侵染和侵染条件下的叶片单细胞图谱。基于70,803个细胞识别出17个主要细胞簇，涵盖六大细胞类型。差异表达基因分析表明：与N110相比，R99在多堆柄锈菌（P. polysora）感染下的差异表达基因数量显著减少，表明感染对R99基因表达的影响出现了系统性减弱。抗性相关基因表达具有细胞类型特异性，R99中与抗南方锈病相关的基因表达水平高于易感品系N110，并通过VIGS技术验证了两个对抗玉米南方锈病有正向贡献的NLR基因。

图1：该研究首次构建了多堆柄锈菌（P. polysora）感染的玉米叶片单细胞图谱，拟时序分析揭示抗病与感病品系细胞量类型特异性的免疫状态差异

此外，该团队还深入分析了参与感染免疫应答的关键细胞类群，发现R99的保卫细胞和表皮细胞在未感染状态下已处于预先激活的免疫状态。随后，鉴定并验证了关键抗性基因几丁质酶基因ZmCHit7，该基因在多种细胞类型中高表达，参与植物固有免疫过程（PTI），对增强抗病性有重要作用。此外，在该基因中发现了一个可以区分抗性与易感的关键SNP（G401T），基于该SNP开发的CAPS标记可用于筛选南方锈病抗性玉米品系。

图2：该研究鉴定玉米南方锈病关键抗性基因ZmCHit7，并开发了分子标记辅助育种

玉米南方锈病（SCR）对全球玉米产量构成严重威胁。本研究利用团队前期选育的抗玉米南方锈病自交系R99和感病自交系N110，结合前沿的单细胞测序技术和功能验证，揭示了R99抗病调控机制，并对抗病基因和分子标记进行挖掘和鉴定，为未来抗病育种提供了新的技术思路和解决方案。

国家重点实验室青年骨干闫晓翠副教授、刘青副教授，在读博士生杨倩和北京格致博雅生物王开来为本论文共同第一作者，段会军教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所李淼淼副研究员和北京格致博雅生物技术总监邓淑翰为共同通讯作者。该研究得到河北省重点研究计划和华北作物改良与调控国家重点实验室自主研究课题等项目的资助。