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Genome Biol | 上海交通大学卢江教授团队解析单细胞分辨率下的葡萄-霜霉菌早期免疫响应动态
发布时间：
2026-05-08
来源：
交大葡萄酒
葡萄霜霉病是葡萄生产中最具破坏性的病害之一，其病原菌为卵菌葡萄霜霉菌（Plasmopara viticola）。既往关于葡萄响应葡萄霜霉菌的研究，主要依赖 bulk RNA-seq 或组织水平观察，因此能够较好地描述“整片叶子”的平均转录变化，但难以回答一个更关键的问题：在病原侵染的最初几个小时内，究竟是哪一类细胞首先感知、响应并参与防御，又是哪一类细胞最早被病原重塑并转向易感。论文作者正是从这一问题出发，强调 bulk RNA-seq 可能掩盖保卫细胞等低丰度细胞群体的关键转录变化，而单细胞技术则为解析这种细胞异质性提供了可能。
2026年1月，上海交通大学卢江教授课题组在 Genome Biology 发表题为"Unveiling the early defense response dynamics in grapevines against Plasmopara viticola by single-cell transcriptomics"的研究，首次将单细胞 RNA 测序与空间转录组联合应用于葡萄-霜霉菌互作体系，构建了葡萄霜霉菌早期侵染阶段下的葡萄叶片高分辨率单细胞图谱。该研究的主要创新，不仅在于突破了既往研究主要停留于组织平均水平、难以解析细胞类型异质性的局限，更在于直接将研究焦点收敛到病原入侵的前沿界面——保卫细胞。由于霜霉菌主要经气孔侵入叶片，而保卫细胞数量少、其转录变化在传统 bulk RNA-seq 中极易被其他叶片细胞信号淹没，因此，从单细胞层面解析保卫细胞在侵染起始阶段的动态转录重编程，对于理解霜霉菌如何突破气孔免疫、宿主又如何在最早时间窗口启动防御，具有直接而关键的意义。该研究正是在这一层面上，为葡萄霜霉病早期互作机制提供了此前难以获得的细胞分辨率证据。
研究设计：聚焦侵染早期窗口
研究选择高度感病的酿酒葡萄品种赤霞珠 Cabernet Sauvignon 作为材料，在 0、3、6 和 12 hpi 四个时间点进行采样，意在捕捉病原建立侵染前后的关键早期事件。课题组前期研究表明，P. viticola 的游动孢子在约 6 hpi 开始经气孔侵入，而到 12 hpi 已可观察到若干效应子表达，因此这四个时间点构成了一个较合理的“免疫启动-病原压制”观察窗口。最终，研究获得约 89,000 个 scRNA-seq 细胞和约 11,000 个 spRNA-seq 细胞，并将 scRNA-seq 数据划分为 39 个细胞簇，进一步整合为空间定位支持下的 5 类主要组织类型：叶肉细胞、表皮细胞、维管组织、保卫细胞和泌水孔细胞。
图1. 葡萄叶片响应霜霉菌侵染单细胞转录组图谱
核心发现之一：葡萄叶片早期防御具有明确的时间分层
基于已知正、负调控免疫相关基因模块构建了 defense response score，并据此比较不同时间点细胞群体的整体免疫状态。结果显示，3 hpi 的细胞群体具有最高的防御评分，而 12 hpi 最低，0 hpi 与 6 hpi 则处于相对接近的基础水平。进一步分组织分析后，这一趋势在不同细胞类型中基本一致。基于这些结果，作者提出：葡萄在侵染起始时处于基础免疫状态，3 hpi 出现显著增强的免疫反应，随后这种应答逐渐受到病原压制，并在 12 hpi 转向完全易感状态。
这一结论的学术意义在于，它将“早期应答”的关键节点明确推进到了 3 hpi，而不是许多常规研究中更常见的 6 hpi 或更晚时间点。换言之，若研究目标是捕获葡萄最初的免疫启动事件，那么 3 hpi 可能是比 6 hpi 更敏感、更具信息量的取样节点。这个结论对于后续转录组设计、候选基因筛选和功能验证都具有直接参考价值。
图2. 霜霉菌侵染过程中葡萄叶片免疫动态变化
核心发现之二：保卫细胞是早期互作中的关键细胞类型
由于 P. viticola 通过气孔侵入叶片，作者将分析重点放在保卫细胞上。拟时序分析显示，保卫细胞在不同时间点呈现出明显分化的状态轨迹：3 hpi 的细胞位于“强免疫状态”分支起始端，0 hpi 和 6 hpi 更接近“基础免疫状态”，而 12 hpi 则集中于“完全易感状态”分支。由此可见，保卫细胞在病原侵染最初阶段确实发生了显著转录重编程，并非被动结构屏障，而是高度动态的免疫调控单元。
图3. 保卫细胞响应霜霉菌侵染逆时序分析
进一步地，该研究在保卫细胞拟时序和 hdWGCNA 模块分析中发现，3 hpi 相关模块富集于氧化胁迫、金属离子和阳离子相关过程，并据此推断早期防御阶段伴随典型的 ROS burst。与此同时，ABA 相关基因也在这些模块中被富集，提示气孔运动与病原应答之间存在紧密耦联。这一结果与植物病原互作研究中的经典认识是一致的，即气孔既是病原入侵门户，也是植物先天免疫的重要前沿界面。
图4. 保卫细胞响应霜霉菌侵染hWGCNA共表达网络分析
机制层面的推进：ABA 调控与 WRKY–KAT1 通路
在 109 个 ABA 调控相关基因中，62 个负调控因子和 47 个正调控因子被系统分析。结果显示，ABA 负调控因子在从基础状态向 3 hpi 免疫状态转变时整体下调，而在向 12 hpi 易感状态推进时又重新上调；相比之下，ABA 正调控因子的整体表达较为稳定。作者据此认为，ABA 信号在侵染早期被激活以促进气孔关闭，而后在病原作用下逐渐受到抑制，从而与气孔重新开放相一致。
进一步地，本研究从差异表达分析中锁定了保卫细胞特异的钾离子通道基因 KAT1。该基因在 3 hpi 相比 0 hpi 上调约 9.8 倍。进一步分析发现，WRKY41 在这一阶段上调约 7.6 倍，WRKY55 下调约 24.4 倍；双荧光素酶实验表明，两者均可结合 KAT1 启动子，但作用方向相反：WRKY41 激活 KAT1，而 WRKY55 抑制 KAT1。基于此，作者提出病原可能通过上调 WRKY41、下调 WRKY55，进而增强 KAT1 表达，促进保卫细胞钾离子内流与气孔开放，从而为侵入创造条件。
图5. 霜霉菌操纵保卫细胞特定转录调控通路促进侵染
结语
总体来看，这项工作用单细胞分辨率重新定义了葡萄与霜霉菌早期互作的分析框架：病原侵染并非一个均质的组织事件，而是一个发生在特定细胞类型、特定时间窗口中的动态重编程过程。保卫细胞在这一过程中既承担了第一道物理屏障的角色，也成为病原精准操纵宿主转录网络的关键靶点。对葡萄病理学、抗病育种和植物-卵菌互作研究而言，该研究不仅提供数据资源，更是一种新的研究视角。
上海交通大学农业与生物学院葡萄与葡萄酒研究中心博士研究生姚秀坤、徐郅卓、席亚升为论文共同第一作者，傅佩宁副研究员为论文通讯作者，硕士生何欣悦、长聘教轨副教授高起飞、讲席教授卢江对本研究提供重要支持。本研究的计算结果得到了上海交通大学高性能计算中心的支持和帮助。该项研究得到了国家自然科学基金（32272652）、广西壮族自治区科技厅（桂科AB24010121）和 2021 年上海交通大学-墨尔本大学联合种子基金的资助。
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