近日，我院粮食作物研究所曹言勇团队联合河南农业大学植物保护学院施艳团队、中国农业科学院作物科学研究所段灿星团队在国际权威综合性学术期刊Advanced Science（中科院一区TOP期刊，5年平均影响因子15.6）在线发表题为“Integrated Single-Cell and Spatial Transcriptomics Reveal Cell-Type- Specific Immune Regulatory Networks in Maize Responding to Southern Corn Rust”的研究论文，该研究整合单细胞核转录组和空间转录组技术，构建了玉米应答南方锈病侵染早期的高分辨率时空转录图谱。首次系统描绘了8种主要叶片细胞类型在病原菌侵染过程中的转录动态，揭示了表皮细胞和叶肉细胞在早期免疫中的核心作用，并明确了不同细胞类型在免疫响应中的功能分工。并挖掘出了ZmXET1和ZmRBG为玉米防御南方锈病的关键基因，为抗病育种提供了有价值的靶点。

近年来，单细胞转录组和空间转录组技术的突破为植物与病原物互作研究带来了前所未有的精度提升：前者能够在单个细胞水平上解析基因表达，揭示植物应答病原侵染时的细胞异质性；后者则能够绘制基因在组织内的空间表达图谱，追踪特定位置和时间下的转录动态。两者的整合为解析植物免疫的分子机制提供了全新视角，直观地揭示了不同细胞类型和组织区域如何协同应对外界胁迫。由多堆柄锈菌（Puccinia polysora, P. p）侵染引起的玉米南方锈病，是威胁全球玉米生产的重要病害，严重时可导致减产50%以上。病原菌通过玉米叶片表面侵入，在植株系统性扩展，破坏光合作用，影响籽粒灌浆。尽管已有多个南方锈病抗性基因被鉴定，但玉米如何在不同细胞类型和组织层面协调免疫响应，一直是尚未解析的关键问题。

本研究首次构建了玉米防御南方锈病的高分辨率时空转录图谱，为理解玉米如何在不同细胞层面协调免疫响应提供了基础框架。揭示了玉米叶片应答P. p侵染时，免疫识别相关基因表现出精细的细胞类型分工，而激素信号通路则呈现时间动态的协同调控特征。创新性提出玉米叶片细胞通过一个“两阶段防御重编程”模型来防御侵染，指出这种空间上分工明确的调控策略可能有助于玉米植株在早期将资源集中于关键防御部位。此外，基于细胞间通讯的分子互作层面证实，表皮细胞与叶肉细胞在P. p侵染过程中存在活跃的“对话”，这种细胞间的协同响应是玉米构建有效免疫的重要环节。研究团队还成功鉴定并验证了两个关键基因的功能。这一发现为玉米抗病育种提供了全新的分子靶点，也为未来精准设计抗病作物奠定了重要的理论基础。

细胞间通讯揭示P. p侵染后玉米叶片从表皮细胞到叶肉细胞的级联响应信号传导过程

我院粮食作物研究所/神农种业实验室为本研究第一完成单位，曹言勇研究员为第一通讯作者。河南农业大学植物保护学院施艳教授和中国农业科学院作物科学研究所段灿星研究员为共同通讯作者。我院访问学者、河南农业大学植物保护学院青年教师王琼琼博士、我院粮食作物研究所在站博士后孙新艳副研究员、河南农业大学在站博士后孙迎超及我院粮食作物研究所程泽强研究员为论文共同第一作者。河南农业大学汤继华教授、李洪连教授，中国农业科学院作物科学研究所程子祥博士，河南省农业科学院博士研究生韩胜博，河南农业大学硕士研究生冯莹，河南农业大学生命科学学院青年教师吴晓林副教授、张菁华副教授，以及团队杨文博博士、朱美琛博士、李慧敏等多名成员也参与了该项研究工作。本研究得到河南省重点研发计划、河南省农业科学院新兴学科专项、北京联创种业科企合作项目、中国农业科学院农业科技创新工程、河南省高校创新科研团队、河南省科学技术协会青年人才托举计划项目及河南省现代农业产业技术体系等项目联合资助。感谢中国农业科学院作物科学研究所翁建峰研究员、中国农业大学周涛教授为本项目提供的指导与帮助。

论文链接： https://doi.org/10.1002/advs.202512295