隨著全球氣候變化加劇，極端天氣事件頻發(fā)，農(nóng)作物面臨著日益嚴(yán)重的生物脅迫（病原體侵染）和非生物脅迫（高溫、干旱、鹽堿等）雙重挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序只能提供組織水平的平均化數(shù)據(jù)，掩蓋了個(gè)體細(xì)胞之間的差異性，難以捕捉細(xì)胞層面的精細(xì)響應(yīng)，因此深入理解植物在細(xì)胞水平上的響應(yīng)變得愈發(fā)緊迫。

近日，浙江農(nóng)林大學(xué)沈錦波教授團(tuán)隊(duì)在植物科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊Trends in Plant Science在線(xiàn)發(fā)表了題為Mapping plant cell-type-specific responses to environmental stresses的綜述論文，系統(tǒng)闡述了單細(xì)胞/單核RNA測(cè)序（single-cell/nucleus RNA sequencing，sc/snRNA-seq）和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（spatial transcriptomics，ST）技術(shù)在解析植物細(xì)胞類(lèi)型特異性脅迫響應(yīng)機(jī)制方面的最新進(jìn)展，為培育適應(yīng)氣候變化的新型作物提供了重要理論基礎(chǔ)。這項(xiàng)研究揭示，植物并非以統(tǒng)一方式應(yīng)對(duì)環(huán)境威脅，而是通過(guò)不同細(xì)胞類(lèi)型的精密分工，構(gòu)建起空間特異性的防御網(wǎng)絡(luò)。

從組織平均到細(xì)胞精度：研究范式的根本轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)植物生物學(xué)研究依賴(lài)bulk RNA測(cè)序技術(shù)，將整塊組織（如葉片或根系）碾磨后提取RNA進(jìn)行分析。這種方法雖然提供了基因表達(dá)的總體圖景，卻掩蓋了細(xì)胞間的關(guān)鍵差異（圖1）?！爱?dāng)我們把組織視為均質(zhì)整體時(shí)，會(huì)錯(cuò)過(guò)真正決定植物生死的關(guān)鍵機(jī)制，”論文通訊作者沈錦波教授解釋道，“例如，在病原體侵染時(shí)，只有直接受侵染的細(xì)胞及其鄰近細(xì)胞啟動(dòng)防御程序，而遠(yuǎn)距離細(xì)胞維持正常生長(zhǎng)功能。這種空間 Precision 的調(diào)控機(jī)制，只有通過(guò)單細(xì)胞分辨率的技術(shù)才能解析?！倍鴨渭?xì)胞技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著重要的進(jìn)步，使研究人員能夠探索組織內(nèi)的細(xì)胞異質(zhì)性。

圖1：轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)。從傳統(tǒng)Bulk RNA測(cè)序到單細(xì)胞RNA測(cè)序再到空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的技術(shù)演進(jìn)示意圖。

技術(shù)突破：克服植物細(xì)胞壁障礙

植物單細(xì)胞研究面臨獨(dú)特挑戰(zhàn)，堅(jiān)硬的細(xì)胞壁阻礙細(xì)胞分離，實(shí)現(xiàn)這些發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵在于單細(xì)胞分離技術(shù)的進(jìn)步（圖2）。該綜述詳細(xì)評(píng)估了多種細(xì)胞分離策略：顯微操作與稀釋法；微流控技術(shù)；熒光/磁激活細(xì)胞分選（FACS/MACS）；激光捕獲顯微切割（LCM）。對(duì)于原生質(zhì)體分離（scRNA-seq）與細(xì)胞核提?。╯nRNA-seq）兩種策略，研究指出：酶解法分離原生質(zhì)體會(huì)激活2000-6000個(gè)基因的表達(dá)變化，包括細(xì)胞壁完整性響應(yīng)和防御通路，可能掩蓋真實(shí)的脅迫響應(yīng)信號(hào)。對(duì)于木質(zhì)化組織或已受脅迫處理的樣品，單核測(cè)序避免原生質(zhì)體制備過(guò)程，保留更真實(shí)的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)（圖3A）。無(wú)需酶解的原位檢測(cè)技術(shù)（如MERFISH、Stereo-seq，圖3B-D）保留組織微環(huán)境信息，可解析感染位點(diǎn)與遠(yuǎn)端組織的基因表達(dá)梯度。

圖2：?jiǎn)渭?xì)胞分離技術(shù)示意圖。(A) 稀釋法單細(xì)胞分離；(B) 顯微操作技術(shù)；(C) 微流控方法；(D) 熒光激活細(xì)胞分選（FACS）；(E) 激光捕獲顯微切割（LCM）；(F) 磁激活細(xì)胞分選（MACS）。

圖3：植物-病原體互作和環(huán)境脅迫響應(yīng)中的sc/snRNA-seq和空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)方法學(xué)。(A) sc/snRNA-seq流程；(B) 基于下一代測(cè)序（NGS）的空間轉(zhuǎn)錄組方法；(C) 原位測(cè)序（ISS）技術(shù)；(D) 原位雜交（ISH）空間轉(zhuǎn)錄組。

脅迫響應(yīng)的單細(xì)胞分析

在自然條件下，植物經(jīng)常遇到生物性和非生物性重疊的脅迫。該論文匯總了近年來(lái)利用單細(xì)胞/單核RNA測(cè)序（sc/snRNA-seq）和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)（ST）技術(shù)獲得的突破性發(fā)現(xiàn)，涵蓋擬南芥、水稻、小麥、玉米、番茄等12種重要作物和模式植物，涉及生物脅迫（細(xì)菌、真菌、病毒侵染）和非生物脅迫（高溫、干旱、鹽脅迫、營(yíng)養(yǎng)缺乏）兩大類(lèi)別。單細(xì)胞和空間分析表明，這種應(yīng)對(duì)脅迫的細(xì)胞間相互作用可能不僅僅是獨(dú)立通路的疊加，而是重塑信號(hào)層級(jí)、改變細(xì)胞狀態(tài)軌跡，并在組織中重新分布空間響應(yīng)模式。研究分析表明，植物免疫以“防御微域”（defensive microdomains）形式精準(zhǔn)啟動(dòng)，而不是在組織中均勻部署（圖4A）。這些免疫響應(yīng)在空間上被限制在病原體鄰近區(qū)域，通過(guò)協(xié)調(diào)的細(xì)胞間信號(hào)在相鄰細(xì)胞中觸發(fā)分層激活，包括Ca2+、ROS傳播和依賴(lài)SA的信號(hào)。與局部化的生物脅迫響應(yīng)不同，高溫、干旱等非生物脅迫往往影響整個(gè)器官，但單細(xì)胞研究揭示，即使在這種系統(tǒng)性脅迫下，不同細(xì)胞類(lèi)型仍展現(xiàn)獨(dú)特的適應(yīng)策略（圖4B）。

圖4：通過(guò)sc/snRNA-seq和ST鑒定的植物細(xì)胞對(duì)環(huán)境信號(hào)的響應(yīng)示意圖。(A) 細(xì)胞間通訊；(B) 細(xì)胞類(lèi)型/組織特異性響應(yīng)。

當(dāng)然，研究團(tuán)隊(duì)在運(yùn)用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)時(shí)也遇到很多難題，如細(xì)胞壁干擾、植物原生質(zhì)體分離的技術(shù)挑戰(zhàn)、空間切片困難、在分析植物與病原體界面處早期植物免疫反應(yīng)和細(xì)胞動(dòng)態(tài)方面的局限性，推進(jìn)植物細(xì)胞間通信的研究以及計(jì)算上的挑戰(zhàn)和缺乏高質(zhì)量的標(biāo)記等，同時(shí)也提出固定化處理、多組學(xué)整合、人工智能輔助分析等解決方法?？傊?，植物多組學(xué)整合可以更好促進(jìn)人類(lèi)對(duì)植物應(yīng)激生物學(xué)中細(xì)胞特異性反應(yīng)和細(xì)胞與細(xì)胞之間相互作用的理解，對(duì)于培育對(duì)氣候變化和病原損害具有增強(qiáng)耐受性的作物，助力于可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

浙江農(nóng)林大學(xué)為該論文唯一第一作者單位和唯一通訊作者單位，沈錦波教授為唯一通訊作者，Muhammad Ali副教授為第一作者，王正加教授為共同一作。該研究同時(shí)得到浙江農(nóng)林大學(xué)王懿祥教授、鄭州大學(xué)郭秋月、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)蔡易教授、浙江大學(xué)杜鵑教授、杭州師范大學(xué)皮二旭教授、荷蘭萊頓大學(xué)丁平濤教授的指導(dǎo)。此研究得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、浙江農(nóng)林大學(xué)啟動(dòng)基金以及"111"項(xiàng)目的資助。

《Trends in Plant Science》是Cell Press旗下權(quán)威綜述期刊，發(fā)表植物科學(xué)領(lǐng)域最新進(jìn)展和前沿觀(guān)點(diǎn)。沈錦波教授于2013年在香港中文大學(xué)姜里文實(shí)驗(yàn)室獲得博士學(xué)位，并繼續(xù)博士后研究工作。2018年加入浙江農(nóng)林大學(xué)，入選國(guó)家青年人才計(jì)劃、浙江省海外高層次人才項(xiàng)目及浙江省杰出青年基金等人才計(jì)劃。沈錦波教授聚焦經(jīng)濟(jì)林木（核桃、薄殼山核桃等）產(chǎn)業(yè)需求，整合細(xì)胞生物學(xué)與多維度成像技術(shù)等手段，重點(diǎn)研究囊泡運(yùn)輸在種子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（蛋白質(zhì)、油脂）貯藏及逆境響應(yīng)中的分子機(jī)制，建立了植物細(xì)胞器pH檢測(cè)方法和全細(xì)胞三維電鏡成像技術(shù)，為提高種子品質(zhì)、增強(qiáng)農(nóng)林作物抗逆能力提供科學(xué)依據(jù)。近5年以通訊作者/第一作者在Nature Plants（2025）、PNAS（2022）、Plant Cell（2023）、Trends in Plant Science（2023; 2024）、Molecular Plant（2024）、SCIENCE CHINA Life Sciences（2020；2021）、Plant Physiology（2025a, b）、Plant, Cell & Environment（2025）等期刊發(fā)表一系列高水平論文。據(jù)悉，沈錦波教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期招聘博士后、青年教師等教研人員。

論文鏈接：

https://www.cell.com/trends/plant-science/fulltext/S1360-1385(26)00057-9