单细胞转录组图谱揭示香蕉根尖响应尖孢镰刀菌感染的转录调控网络

本研究针对香蕉枯萎病(Fusarium wilt)这一全球性病害，通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术首次构建了香蕉根尖响应尖孢镰刀菌热带4号生理小种(Foc TR4)感染的细胞特异性转录图谱。研究人员鉴定出10种主要细胞类型，发现中柱鞘细胞(pericycle)是响应病原菌感染的核心细胞类型，并揭示MaKAN4通过调控Zn2+依赖的MaACA7/MaADH3模块增强抗病性的分子机制。该研究为培育抗枯萎病香蕉品种提供了新靶点，发表于《Horticulture Research》。

　　

香蕉作为全球第四大主食作物，其产业正遭受尖孢镰刀菌热带4号生理小种(Foc TR4)的毁灭性威胁。这种土壤传播的病原菌通过根系入侵，导致维管束褐变和植株死亡，尤其对主栽品种"卡文迪什"造成严重危害。尽管传统组学研究已发现部分抗病相关基因，但不同细胞类型在抗病过程中的特异性响应机制仍不清楚。植物根系作为直接接触病原体的器官，其细胞异质性对理解抗病机制至关重要，而单细胞技术的出现为解析这一复杂过程提供了新机遇。

研究团队采用10x Genomics单细胞核转录组测序技术，对感染Foc TR4 21天后的香蕉根尖样本进行分析。通过拟时序分析(pseudotime analysis)和加权基因共表达网络分析(WGCNA)，结合RNA原位杂交和激光共聚焦显微观察，系统解析了不同细胞类型的响应特征。

Cell type observation in banana root tips under Fusarium oxysporum infection

石蜡切片鉴定出根冠、皮层、内皮层等10种细胞类型，激光共聚焦显示Foc TR4在21天完全定殖根尖，此时差异表达基因(DEGs)达到峰值，确定为关键时间点。

Single-cell atlas of banana root tips

从48,983个细胞核中鉴定出19个亚群，基于拟南芥同源标记基因将其归类为10种主要细胞类型，包括根分生组织细胞(标记基因HTA10)、根冠细胞(MUR1)、表皮细胞(WRKY75)等，并通过RNA原位杂交验证了4种细胞的特异性标记。

Differentiation trajectories of meristematic cells

拟时序分析显示分生组织细胞分化为两条轨迹：近端分生组织细胞富集细胞周期相关基因，而干细胞分支上调DIR1、PR1等抗病基因，暗示水杨酸(SA)与生长素信号通路的协同调控。

Differentiation trajectories of root cap cells

根冠细胞分化为内外两层，外层细胞(标记基因MT4A、RPS15A)在感染后数量增加50.43%，显著上调金属离子结合(GO:0046872)和氧化应激响应相关基因。

The pericycle is the dominant cell type in response to Foc TR4 infection

中柱鞘细胞数量增加88.38%，含有最多Foc TR4响应基因。拟时序分析鉴定出KAN4、ADH3等关键基因，其表达模式与分化状态显著相关。

MaKAN4 regulates Zn²⁺-dependent MaACA7/MaADH3 module

酵母单杂交和双荧光素酶实验证实转录因子MaKAN4直接结合MaACA7和MaADH3启动子。序列分析显示这两个酶均含Zn²⁺结合位点，外源Zn²⁺处理能显著缓解病害症状并上调该模块表达，证实Zn²⁺通过维持酶活性增强抗性。

该研究首次在单细胞分辨率揭示香蕉根系抗病机制，突破性地发现中柱鞘细胞是抵抗Foc TR4入侵的关键阵地。MaKAN4-Zn²⁺调控模块的发现为理解植物利用微量元素的免疫策略提供了新视角，其通过调节缺氧响应基因(ADH3、ACA7)维持细胞稳态的机制具有普适性意义。研究建立的香蕉根尖单细胞图谱为后续细胞特异性抗病育种奠定了理论基础，Zn²⁺施肥可能成为防控香蕉枯萎病的实用化措施。技术层面，该工作开发的植物单细胞核转录组方案为其他非模式作物的细胞异质性研究提供了重要参考。