综合RNA-seq和snRNA-seq分析发现PR10串联基因簇在控制海岛棉花对镰刀菌枯萎病的早期防御中起关键作用

《Frontiers in Plant Science》：Integrated RNA-seq and snRNA-seq analysis identifies PR10 tandem gene cluster governing early defense against Fusarium wilt in sea island cotton

棉花对尖孢镰刀菌FOV7的早期防御机制研究：通过转录组和单细胞测序发现PR10基因家族在D10染色体上的串联重复扩张，并鉴定GbD_PR10.11为根表皮特异性激活的 sentinel 基因。

　　在棉花种植过程中，一种名为Fusarium wilt的疾病对高产优质海岛棉（*Gossypium barbadense*）构成了严重威胁。这种由*Fusarium oxysporum f. sp. vasinfectum race 7*（FOV7）引起的病害，不仅破坏了植物的木质部导管系统，还导致植物出现生长矮缩、萎蔫、导管褐变等典型症状，最终可能造成植株死亡。因此，揭示棉花与FOV7之间相互作用的分子机制，对于提升棉花抗病能力、减少经济损失具有重要意义。

本研究通过结合全基因组转录组分析与单核RNA测序（snRNA-seq）技术，深入解析了棉花在FOV7感染初期的防御机制。我们首先对棉花根部进行了RNA测序，捕捉了感染过程中基因表达的动态变化。随后，通过K-means聚类和加权基因共表达网络分析（WGCNA）技术，发现了一组显著富集于防御反应和脱落酸激活信号通路的基因模块。这些基因中，有10个属于Pathogenesis-Related 10（PR10）基因家族，该家族在植物抗病过程中扮演重要角色。

进一步的进化分析显示，这些PR10基因在棉花基因组中形成了一个串联重复的基因簇，位于D亚基因组的第10号染色体上。这表明，这种基因簇的扩展可能是棉花在长期进化过程中适应病原体攻击的一种策略。此外，通过构建根部细胞类型图谱，我们发现FOV7感染主要发生在根表皮细胞中，其中*GbD_PR10.11*基因被显著激活，显示出其在防御反应中的关键作用。这一发现不仅揭示了棉花在面对病原体时的细胞特异性防御机制，还为未来培育抗病品种提供了明确的分子靶点。

研究中，我们采用了多种先进的技术手段，包括传统的RNA测序与单核RNA测序，以获取更精确的基因表达数据。在数据处理阶段，我们对低质量的读取进行了过滤，并利用专业软件对数据进行了整合和分析。通过严格的过滤标准，我们确保了数据的可靠性和可重复性，从而能够准确识别不同细胞类型在感染过程中的基因表达差异。

在结果分析中，我们发现，感染初期（2小时后）的基因表达变化最为显著，许多基因在短时间内被快速激活。这些基因主要涉及对脱落酸、渗透胁迫和水分缺乏的响应，表明棉花在面对病原体时启动了复杂的防御网络。通过进一步的聚类分析和共表达网络分析，我们确认了PR10基因在这些防御反应中的核心地位。特别是*GbD_PR10.11*基因，在感染后的2小时内被显著激活，并且主要在根表皮细胞中表达，显示出其作为防御哨兵的独特功能。

研究还揭示了PR10基因家族在棉花基因组中的分布特点。通过对不同棉花品种的基因组进行比对，我们发现这些基因在多个染色体上存在，并且在某些染色体上形成了明显的基因簇。这些基因簇的形成可能与古老的全基因组复制事件有关，表明它们在进化过程中经历了显著的扩张。进一步的Ka/Ks分析表明，这些基因在进化过程中受到强烈的纯化选择，说明它们在防御功能上的重要性。

通过单核RNA测序技术，我们不仅识别了不同的细胞类型，还发现根表皮细胞在感染初期的防御反应最为活跃。这种细胞特异性的防御策略可能与植物的免疫系统在不同组织中的功能分化有关。表皮细胞作为植物与外界环境的第一道防线，可能在病原体入侵时迅速启动防御机制，而内部的皮层和维管组织则可能负责更长期的防御反应，如细胞壁强化和系统性信号传导。

本研究的一个重要突破是，我们首次在棉花根部中明确了PR10基因家族的细胞特异性表达模式。这一发现不仅有助于理解棉花如何在不同细胞类型中协调防御反应，还为未来的抗病育种提供了新的思路。通过基因编辑技术（如CRISPR-Cas9）和过表达系统，可以进一步验证这些基因在FOV7抗性中的具体作用，以及它们如何通过RNA酶活性、配体结合或其他机制影响植物的免疫反应。

总的来说，这项研究通过多层次的分析方法，揭示了棉花在面对FOV7感染时的分子防御机制。我们不仅发现了关键的PR10基因簇及其在表皮细胞中的特异性表达，还为未来通过基因工程手段增强棉花抗病能力提供了理论基础和实践指导。这一成果有望为棉花抗病育种带来新的突破，从而提升其在病害面前的生存能力和产量保障。