發布日期：2025-03-28 15:30:07
2025年3月4日，中國農業大學植物保護學院周濤團隊在Plant Communications（IF：9.4）發表題為“Identification of maize genes conditioning the early systemic infection of sugarcane mosaic virus by single-cell transcriptomics”的研究論文，本研究為深入探索玉米與甘蔗花葉病毒（SCMV）在系統侵染早期階段的相互作用，提供了寶貴的單細胞轉錄組學視角。本文的單細胞轉錄組測序技術服務由北京百奧益康提供。
文章摘要
在植物遭受病原物侵染的初期階段，單個細胞內病原物的數量存在著極大的差異，這種差異使每個細胞對病原物侵染的響應程度，尤其是在基因表達層面，表現出顯著的異質性。本研究在早期系統感染期間（癥狀表現之前）對SCMV感染的玉米葉片進行了scRNA-seq，以研究病毒積累水平和細胞內基因表達水平改變之間的共變異模式。本文確定了5種細胞類型，發現葉肉4（MS4）細胞在大多數細胞中的病毒積累水平最高。SCMV的早期系統感染導致大多數差異表達基因（DEGs）的上調，這些基因主要富集在與翻譯、肽生物合成和代謝相關的生物過程中。對MS1、MS2和MS4中改變的玉米基因表達水平和病毒積累水平的共變異分析，揭示了幾種模式，且它們之間的共表達關系主要是正向的。此外，功能研究確定了幾種潛在的抗病毒或促病毒因素，這些因素可能在SCMV系統感染的早期階段發揮關鍵作用。這些結果不僅為病毒感染過程中植物基因調控提供了新的見解，也為未來跨分子、細胞和生理尺度的宿主-病毒相互作用的研究提供了可行的參考。
研究結果
通過單細胞測序和細胞類型注釋，成功鑒定出五種細胞類型（MS1，MS2，MS4，BS，UN1），對它們的生物學功能進行分析，發現BS細胞在光合作用與能量代謝中扮演著核心角色；MS1細胞則與光合作用及質體生成緊密相關；MS2細胞主要響應非生物脅迫的刺激；MS4細胞承擔著翻譯、氨基酸合成及代謝的重任；而UN1細胞則主要富集于mRNA相關的生物過程中。這五種細胞類型之間似乎存在轉錄差異，表明這些細胞亞型具有不同的功能，并可能為病毒復制和傳播提供替代環境。
圖1 在系統感染早期(癥狀出現之前)SCMV感染玉米葉片的單細胞分析
為了研究SCMV感染樣本細胞中轉錄水平的變化，我們比較了四種葉肉細胞類型中每一種的感染細胞和旁觀者細胞之間的基因表達模式。通過對各細胞類型的病毒載量進行細致分析，我們揭示出MS4細胞是病毒載量最高的感病細胞，而UN1細胞則展現出最低的病毒侵染率。進一步的RNA原位雜交實驗驗證了MS4細胞確實為緊鄰BS細胞的葉肉細胞類型。對不同細胞類型中的侵染細胞與未侵染細胞進行差異基因分析后，我們發現SCMV侵染主要誘導基因上調表達，僅有少數基因呈現下調趨勢。上調的基因主要涉及翻譯過程及一些抗病相關基因，而下調的基因則參與了一些應激反應。
圖2 分析四種細胞類型以及MS4中受感染細胞和旁觀者細胞之間的DEGs以及不同的病毒累積水平
為了研究基因表達模式和病毒積累水平之間的連續共變異關系，我們基于它們的表達值將在MS4細胞中表達的玉米基因分成十個模塊，并對不同模塊進行了KEGG富集分析。結果顯示，已知參與對SCMV的抗性或易感性的玉米基因的表達水平隨著病毒積累水平的提高而顯著增加。此外，我們還發現病毒侵染激活寄主的能量代謝通路、蛋白合成通路以及一系列抗病毒通路。
圖3 MS4細胞中病毒積累水平升高的感染細胞的轉錄組特征
為了評估SCMV感染樣本中單個細胞的連續分化軌跡，我們進行了偽時間軌跡分析。結果表明偽時間軌跡具有兩個分支點，這將細胞群體分成具有五種狀態之一的細胞，即分化軌跡始于MS4細胞轉變為MS2細胞，然后分支形成MS1或UN1細胞。同時RNA速率分析和CytoTRACE預測的細胞順序也與偽時間軌跡分析一致。這說明MS4細胞是發育程度最低的細胞類型，而UN1細胞則呈現出最為成熟的發育狀態。
圖4 四種葉肉細胞類型的發育軌跡
我們選取了一系列候選因子進行深入研究，其中ZmSAM-Mt和ZmCDF1主要在MS1、MS2和MS4細胞中展示了更高的表達水平；ZmCC7在MS4細胞中高度表達；ZmPLT1僅在一些UN1細胞中表現出高表達水平結果，在其他細胞類型中表現出低表達水平。選取這四個因子，通過敲除、過表達等實驗，證實ZmSAM-Mt、ZmCDF1和ZmCC7是促進SCMV侵染的易感因子，而ZmPLT1則是抑制SCMV侵染的抗病毒因子。
研究結論
綜上所述，研究證明了不同細胞類型對SCMV侵染的應答存在顯著差異性，并成功界定了具有抗病毒特性（標記為UN1）與易于感染病毒（分別標記為MS4和BS）的細胞亞群。在此基礎上，進一步剖析了這些特定細胞群的分子功能特征。本研究揭示了病毒侵染初期，玉米宿主的基因表達模式普遍展現出上調趨勢，鑒定出數十種潛在的抗病毒或病毒促進因子，它們可能與SCMV侵染過程緊密相關。這些發現深化了我們對病毒-寄主相互作用復雜機制的理解，而且為未來開發新型抗病毒作物品種，奠定了堅實的理論與實踐基礎。
參考文獻：Chen X, Yao R, Hua X, et al. Identification of maize genes conditioning the early systemic infection of sugarcane mosaic virus by single-cell transcriptomics. Plant Commun. Published online March 4, 2025. doi:10.1016/j.xplc.2025.101297