PBJ | 中国热科院甘蔗中心阙友雄团队揭示甘蔗对黑穗病的单细胞水平响应和转录因子调控机制

近日，热带作物生物育种全国重点实验室/中国热带农业科学院热带生物技术研究所/三亚研究院 阙友雄 研究员和 吴期 滨 副研究员团队，分别联合崖州湾国家实验室/广西大学 王海峰 教授团队，以及福建农林大学 苏亚春 副研究员团队在国际植物科学权威期刊Plant Biotechnology Journal发表 了 两项研究成果，系统揭示了甘蔗对黑穗病的免疫调控网络，并鉴定了 甘蔗对黑穗病抗性的 关键负调控因子ScWRKY2，为甘蔗抗病 生物 育种提供了理论基础与 靶标 资源。

一、 率先 构建首个甘蔗单细胞图谱 并 揭示细胞异质性免疫调控机制

在题为“Cellular heterogeneity and immune responses to smut pathogen in sugarcane”的研究中，首次利用单细胞 转录组 测序技术（ scRNA -seq） ， 构建了甘蔗抗黑穗病的细胞图谱，系统解析了多倍体甘蔗在病原 侵 染过程中的细胞异质性和免疫应答特征。该研究分析了甘蔗 芽 中共计65,660个单细胞，鉴定了多类细胞类型及其身份标记基因。通过 比较抗病品种YT93-159与感 病品种 ROC22，揭示了二者在不同细胞亚群中免疫基因表达水平的差异。 拟时轨迹 分析进一步描绘了甘蔗芽发育过程中细胞命运转变的动态过程，识别出一批调控细胞分化与激素响应的重要基因。特别值得关注的是，研究发现水杨酸信号通路关键基因ScNPR3 ，不仅 在分生组织细胞中受病原 菌 诱导表达， 还 能在细胞核中与转录因子ScTGA2互作，从而抑制免疫反应，表明其在协调甘蔗生长与免疫 反应 之间发挥关键作用。该研究构建了首个甘蔗scRNA-seq图谱，并从细胞水平揭示了甘蔗抗病调控机制的动态特征，为抗病基因精准定位和基于细胞异质性调控的分子育种策略奠定理论基础。

图1 甘蔗单细胞图谱及其抗黑穗病的分子机制

二、 首次 阐明转录因子ScWRKY2 在甘蔗本体 的负调控作用及其分子机制

在题为“ScWRKY2: a key regulator for smut resistance in sugarcane”的研究中，研究团队聚焦WRKY转录因子家族成员ScWRKY2，深入解析其在甘蔗应对黑穗病胁迫过程中的调控路径。通过构建 ScWRKY2 过表达甘蔗株系，发现其黑穗病发病率显著高于野生型， 且病原菌积累量增加 ， 抗氧化酶（SOD和POD）活性下降，表明ScWRKY2在甘蔗抗病性中发挥负调控作用。进一步 ， DAP-seq与RNA-seq联 合分析识别出其下游靶基因，其中 富亮氨酸重复类受体蛋白激酶 基因 ScLRR -RLK 为重要免疫调控因子。ScWRKY2可直接结合 ScLRR -RLK 启动子区域W-box元件并抑制其转录。同时，ScWRKY2还能与叶绿体蛋白 ScPsbP 发生互作，形成复合物，干扰活性氧（ROS）清除通路，导致ROS积累增强，进而削弱免疫反应。该研究构建了ScWRKY2介导的甘蔗对黑穗病响应的分子模型，明确其通过转录抑制与蛋白互作双重机制，调控免疫平衡与ROS稳态，为甘蔗抗病生物育种提供了新的基因资源。

图2 甘蔗ScWRKY2基因响应黑穗病的功能模型

综上，两项研究从单细胞组学与关键因子功能机制两个层面，协同揭示了甘蔗抵御黑穗病的分子调控网络。前者提供全局图谱与细胞级抗病特征，后者明确特定转录因子在免疫调控中的作用路径，共同推动甘蔗生物育种向“精准抗病”迈进。

中国热科院生物所 与福建农林大学 联合培养博士研究生 臧守建 和中国热科院生物 所 吴期滨 副研究员为论文一的共同 第一作者 ， 中国热科院甘蔗研究中心主任/热带作物生物育种全国重点实验室/中国热科院生物所/三亚研究院 阙友雄 研究员、 吴期 滨 副研究员和 崖 州湾国家实验室 王海峰 教授 为共同通讯作者。中国热科院生物所 王东姣 助理研究员为论文二的第一作者 ， 阙友雄 研究员、 吴期滨 副研究员和 福建农林大学 苏亚春 副研究员为共同通讯作者。 两项研究 均 获得了 中国热带农业科学院国家热带农业科学中心科技创新团队 、国家自然科学基金、 热带作物生物育种全国重点实验室科研项目、 中央引导地方科技发展专项、 国家重点研发计划以及中央级公益性科研院所基本科研业务费等项目的联合资助 。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.70084

https://doi.org/10.1111/pbi.70186