中国农大新闻网讯 3月24日，中国农业大学植物保护学院刘俊团队在国际综合性期刊 Advanced Science 上，在线发表研究论文 Single-Cell and Spatial Transcriptomics Reveals a Stereoscopic Response of Rice Leaf Cells to  Magnaportheoryzae  Infection。该研究利用单细胞核转录组测序和空间转录组测序技术，深度分析了水稻-稻瘟菌互作下的细胞空间立体响应，并构建了一个全新的水稻-稻瘟菌互作单细胞和时空组转录图谱。

单细胞组学和时空组学是近年来生命科学领域的重要技术突破，它们在细胞异质性解析、动态过程研究和细胞间相互作用分析方面具有重要优势，为生命科学研究带来了全新的视角和深度。水稻稻瘟病是世界上发生严重的真菌病害之一，水稻在面临稻瘟菌侵染时会激活动态免疫，因此挖掘水稻特异免疫基因对于抗稻瘟病菌侵染至关重要。本研究对稻瘟菌接种后三个时间点的样品进行了单细胞核转录组测序(图1A)，同时对接种后的水稻叶片也进了时空组测序(图1B)。

图1 水稻样品单细胞及时空组测序流程图

对测序获得的单细胞数据，结合细胞特异的标志基因，AddModuleScore 软件和GO富集分析等方法，对水稻的细胞类型进行了分类注释(图2A)。基因表达分析发现，维管细胞中的原形成层细胞在稻瘟菌侵染后高度诱导二萜类植保素合成代谢相关基因的表达，其中水稻关键植保素momilactone A合成被特异诱导(图2B)，促进了momilactone A在维管组织中积累，可能是抗稻瘟病的关键因素。相反，激素途径和模式分子激发的免疫对抗病性贡献较弱。

图2 水稻单细胞测序结果及差异基因表达分析

共聚焦显微镜观察结果显示，稻瘟菌孢子萌发后优先靶向叶脉入侵，但是水稻的维管组织具有较强的免疫，稻瘟菌菌丝无法进一步侵入(图3A)。时空组测序结果显示，富含亮氨酸重复序列的(NLR)免疫基因的表达在接种24小时后，叶尖部较叶基部具有更强的积累，表明免疫基因的表达具有极性的特征。综上所述，该项研究揭示了水稻在稻瘟病菌侵染时免疫基因存在细胞特异性和多维(局部和纵向)的表达模式，为挖掘新的免疫基因提供了重要的数据基础(图3B)。

图3 共聚焦显微镜观察及时空组测序结果显示水稻组织存在多维度的免疫

中国农业大学为论文第一完成单位；中国农业大学植物保护学院刘俊教授、徐宁副教授为本论文的共同通讯作者；中国农业大学博士研究生王伟、硕士研究生张贤玉、西北工业大学张勇、华大生命研究院张哲为本论文的共同第一作者。该研究得到了中山大学姚楠教授的大力支持；中国科学院遗传与发育生物学研究所钱文峰研究员在数据分析上提供了宝贵经验；河南农业大学杜长青教授提供了重要的实验材料；华大生命研究院王思博研究员、康靖民研究员、陈夏怡对于测序的支持和指导。本研究工作得到了国家自然科学基金(32225043，32070290)、拼多多-中国农业大学研究基金(PC2023B02001)及中国农业大学2115人才发展计划的资助。数据计算得到了中国农业大学校级高性能计算平台的支持。