2025年3月4日，中国农业大学植物保护学院周涛团队在Plant Communications（IF：9.4）发表题为“Identification of maize genes conditioning the early systemic infection of sugarcane mosaic virus by single-cell transcriptomics”的研究论文，本研究为深入探索玉米与甘蔗花叶病毒（SCMV）在系统侵染早期阶段的相互作用，提供了宝贵的单细胞转录组学视角。本文的单细胞转录组测序技术服务由北京百奥益康提供。

 

 

文章摘要

 

 

在植物遭受病原物侵染的初期阶段，单个细胞内病原物的数量存在着极大的差异，这种差异使每个细胞对病原物侵染的响应程度，尤其是在基因表达层面，表现出显著的异质性。本研究在早期系统感染期间（症状表现之前）对SCMV感染的玉米叶片进行了scRNA-seq，以研究病毒积累水平和细胞内基因表达水平改变之间的共变异模式。本文确定了5种细胞类型，发现叶肉4（MS4）细胞在大多数细胞中的病毒积累水平最高。SCMV的早期系统感染导致大多数差异表达基因（DEGs）的上调，这些基因主要富集在与翻译、肽生物合成和代谢相关的生物过程中。对MS1、MS2和MS4中改变的玉米基因表达水平和病毒积累水平的共变异分析，揭示了几种模式，且它们之间的共表达关系主要是正向的。此外，功能研究确定了几种潜在的抗病毒或促病毒因素，这些因素可能在SCMV系统感染的早期阶段发挥关键作用。这些结果不仅为病毒感染过程中植物基因调控提供了新的见解，也为未来跨分子、细胞和生理尺度的宿主-病毒相互作用的研究提供了可行的参考。

 

 

研究结果

 

 

通过单细胞测序和细胞类型注释，成功鉴定出五种细胞类型（MS1，MS2，MS4，BS，UN1），对它们的生物学功能进行分析，发现BS细胞在光合作用与能量代谢中扮演着核心角色；MS1细胞则与光合作用及质体生成紧密相关；MS2细胞主要响应非生物胁迫的刺激；MS4细胞承担着翻译、氨基酸合成及代谢的重任；而UN1细胞则主要富集于mRNA相关的生物过程中。这五种细胞类型之间似乎存在转录差异，表明这些细胞亚型具有不同的功能，并可能为病毒复制和传播提供替代环境。

 

 

图1 在系统感染早期(症状出现之前)SCMV感染玉米叶片的单细胞分析

 

为了研究SCMV感染样本细胞中转录水平的变化，我们比较了四种叶肉细胞类型中每一种的感染细胞和旁观者细胞之间的基因表达模式。通过对各细胞类型的病毒载量进行细致分析，我们揭示出MS4细胞是病毒载量最高的感病细胞，而UN1细胞则展现出最低的病毒侵染率。进一步的RNA原位杂交实验验证了MS4细胞确实为紧邻BS细胞的叶肉细胞类型。对不同细胞类型中的侵染细胞与未侵染细胞进行差异基因分析后，我们发现SCMV侵染主要诱导基因上调表达，仅有少数基因呈现下调趋势。上调的基因主要涉及翻译过程及一些抗病相关基因，而下调的基因则参与了一些应激反应。

 

 

图2 分析四种细胞类型以及MS4中受感染细胞和旁观者细胞之间的DEGs以及不同的病毒累积水平

 

为了研究基因表达模式和病毒积累水平之间的连续共变异关系，我们基于它们的表达值将在MS4细胞中表达的玉米基因分成十个模块，并对不同模块进行了KEGG富集分析。结果显示，已知参与对SCMV的抗性或易感性的玉米基因的表达水平随着病毒积累水平的提高而显著增加。此外，我们还发现病毒侵染激活寄主的能量代谢通路、蛋白合成通路以及一系列抗病毒通路。

 

图3 MS4细胞中病毒积累水平升高的感染细胞的转录组特征

 

 

为了评估SCMV感染样本中单个细胞的连续分化轨迹，我们进行了伪时间轨迹分析。结果表明伪时间轨迹具有两个分支点，这将细胞群体分成具有五种状态之一的细胞，即分化轨迹始于MS4细胞转变为MS2细胞，然后分支形成MS1或UN1细胞。同时RNA速率分析和CytoTRACE预测的细胞顺序也与伪时间轨迹分析一致。这说明MS4细胞是发育程度最低的细胞类型，而UN1细胞则呈现出最为成熟的发育状态。

 

图4 四种叶肉细胞类型的发育轨迹

 

 

我们选取了一系列候选因子进行深入研究，其中ZmSAM-Mt和ZmCDF1主要在MS1、MS2和MS4细胞中展示了更高的表达水平；ZmCC7在MS4细胞中高度表达；ZmPLT1仅在一些UN1细胞中表现出高表达水平结果，在其他细胞类型中表现出低表达水平。选取这四个因子，通过敲除、过表达等实验，证实ZmSAM-Mt、ZmCDF1和ZmCC7是促进SCMV侵染的易感因子，而ZmPLT1则是抑制SCMV侵染的抗病毒因子。

 

 

 

 

 

研究结论

 

 

综上所述，研究证明了不同细胞类型对SCMV侵染的应答存在显著差异性，并成功界定了具有抗病毒特性（标记为UN1）与易于感染病毒（分别标记为MS4和BS）的细胞亚群。在此基础上，进一步剖析了这些特定细胞群的分子功能特征。本研究揭示了病毒侵染初期，玉米宿主的基因表达模式普遍展现出上调趋势，鉴定出数十种潜在的抗病毒或病毒促进因子，它们可能与SCMV侵染过程紧密相关。这些发现深化了我们对病毒-寄主相互作用复杂机制的理解，而且为未来开发新型抗病毒作物品种，奠定了坚实的理论与实践基础。

 

参考文献：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