单核RNA测序揭示番茄中根结线虫诱导巨型细胞形成的细胞程序

研究人员通过单核RNA测序（snRNA-seq）技术解析了番茄根部受根结线虫（Meloidogyne incognita）感染后形成巨型细胞（giant cells）的转录组特征，首次绘制了线虫诱导的细胞发育轨迹，发现772个巨型细胞特异性表达基因，并通过功能验证揭示了其调控植物易感性的关键作用。该研究为理解跨物种细胞重编程机制提供了新视角，并为抗线虫作物育种提供了靶点。

　　

在农业生产中，根结线虫（Meloidogyne spp.）是危害最严重的植物寄生生物之一，其通过诱导植物根部形成巨型细胞（giant cells）作为营养来源，造成全球每年数十亿美元的损失。这些线虫能够“劫持”植物细胞发育程序，将终末分化的维管细胞重编程为多核、代谢旺盛的巨型细胞，但其分子机制长期未明。传统转录组分析因无法区分异质性细胞类型而受限，而激光显微切割技术又存在通量低、应激干扰等问题。

为解决这一难题，美国田纳西大学Tarek Hewezi团队在《Horticulture Research》发表研究，首次采用单核RNA测序（snRNA-seq）技术，对番茄（Solanum lycopersicum）感染根结线虫5天和10天后的瘿瘤（galls）及邻近组织进行高分辨率解析。通过分析35,393个高质量核转录组，研究者不仅鉴定了巨型细胞的特异性基因表达模块，还重构了其发育轨迹，揭示了从细胞周期激活到代谢适应的动态调控网络。

关键技术方法

研究团队采集番茄根部瘿瘤及邻近组织，利用Honda缓冲液分离细胞核，通过10x Genomics平台构建snRNA-seq文库。采用Cell Ranger和Scanpy进行数据预处理与聚类，结合拟时序分析（pseudotime）预测发育轨迹。通过启动子-GUS报告系统验证基因特异性表达，并利用病毒诱导基因沉默（VIGS）技术进行功能验证。

研究结果

巨型细胞的特异性转录组特征

UMAP聚类分析鉴定出30个细胞群，其中3个维管相关集群（簇16、25、26）富含已知巨型细胞标记基因（如CCS52B、CycB1;1、PIN4）。簇16和26代表早期巨型细胞，高表达细胞周期相关基因（如微管结合蛋白TPX2、B型周期蛋白），而簇25则富集代谢与运输相关基因，对应成熟巨型细胞阶段。

发育轨迹的动态调控

拟时序分析显示，巨型细胞分化经历三个阶段：早期（簇26）以细胞周期激活为主，中期（簇16）转向代谢调控，晚期（簇25）强化营养运输。值得注意的是，组蛋白去乙酰化酶（Solyc03g115150）和结构维持染色体蛋白（Solyc03g093260）等表观遗传调控因子呈现阶段特异性表达，暗示其在细胞状态转换中的关键作用。

功能验证与抗性机制

通过启动子-GUS系统证实了4个候选基因（如Solyc11g069470）的时空特异性表达。VIGS沉默MYB（Solyc04g056310）和NAC（Solyc05g021090）转录因子使线虫感染率降低80%，证实这些基因是维持植物易感性的关键开关。

细胞类型特异性响应

木质部（xylem）和韧皮部（phloem）细胞分别上调大分子代谢和RNA加工相关基因，而中柱（stele）细胞则激活囊泡运输通路。这种协同重编程可能为巨型细胞提供结构支持和营养补给。

结论与意义

该研究首次在单细胞分辨率下解析了植物寄生线虫操纵宿主发育的分子图谱，揭示了772个巨型细胞特异性基因及其动态调控网络。发现的转录因子和表观遗传调控模块为设计抗线虫作物提供了新靶点，例如利用特异性启动子驱动抗性基因表达。此外，研究建立的snRNA-seq策略为研究其他难分离细胞类型（如病原菌吸器）提供了范式。

这项突破性工作不仅深化了对跨物种细胞重编程的理解，也为可持续农业病虫害防控提供了分子工具箱。未来研究可进一步探索巨型细胞特异性启动子在精准抗病育种中的应用潜力。