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【Horticulture Research. (Q1/9.5)】河北农大杜国强团队揭示葡萄浆果对日灼的细胞类型特异性程序化响应机制
发布时间：
2026-08-09
来源：
植物科研进展
文章摘要
日灼是由高温强光共同诱导的葡萄果实生理性病害，会导致果皮褐变、坏死甚至果实皱缩，严重降低葡萄产量和商品品质，是当前葡萄产业应对全球气候变暖急需解决的核心问题之一。此前对日灼的研究多集中于生理层面，不同细胞类型的响应异质性及分子调控机制长期未被解析。
2026年8月3日，《Horticulture Research》在线发表了河北农业大学园艺学院杜国强教授团队题为“Single-Nucleus Transcriptome Analysis Reveals Spatial and Cell-Type-Specific Responses to Sunburn in Grape Berries”的研究论文。该研究在自然田间条件下模拟日灼发生过程，首次绘制了葡萄浆果的单细胞转录组图谱，揭示了不同细胞类型响应日灼的功能分工与时序调控通路，并验证了外果皮特异基因VvVINST1的抗日灼功能，为葡萄抗逆分子育种提供了单细胞水平的理论基础和关键基因资源。
研究结果
▎1. 葡萄日灼发生的生理动态特征
研究在田间自然高温强光条件下诱导葡萄日灼发生，根据受害程度将样本分为未暴露组（NE）、暴露无症组（EX）、日灼晕圈组（SB1H）、轻度日灼组（SB1）、中度日灼组（SB2）、重度日灼组（SB3）。生理指标测定显示：随日灼加重，膜脂过氧化产物MDA含量持续上升，抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性在SB1期达到峰值后下降，总酚、黄酮类物质呈先降后升的 biphasic 响应，光合色素含量显著降低。最终选择能代表未受害、潜在受害、早期受害三个关键阶段的NE、SB1H、SB1样本开展后续单细胞测序分析。
图1 葡萄日灼不同受害程度及生理指标变化
▎2. 葡萄浆果首个单核转录组图谱构建与细胞类型鉴定
对三个阶段的样本开展snRNA-seq，经质量过滤后共获得23286个高质量单核，聚类为12个细胞簇。研究整合跨物种标记基因比对、功能富集分析和RT-qPCR验证，最终将12个细胞簇注释为三大类细胞：外果皮细胞（ECs，簇5、7）、中果皮细胞（MCs，簇0、1、3、9、10、11）、维管细胞（VCs，簇2、4、6、8），构建了首个葡萄浆果单核转录组参考图谱。
图2 葡萄浆果单核转录组图谱构建与细胞类型鉴定
▎3. 不同细胞类型对日灼的响应特异性差异显著
日灼胁迫后三类细胞的响应特征存在显著差异：维管细胞的比例从NE组的28.74%降至SB1H组的13.67%，维管束面积显著缩小，且差异表达基因数量显著高于外果皮和中果皮细胞，显示维管细胞对日灼胁迫最为敏感。功能富集分析显示三类细胞既有共同响应通路（热响应、ROS响应、蛋白折叠相关基因普遍上调），也存在明确的功能分工：维管细胞富集信号转导、物质运输、激素信号传导相关功能；中果皮细胞特异激活光保护、碳水化合物代谢等通路，提供能量和代谢支持；外果皮细胞则特异上调角质层合成、芪类次生代谢物合成等防御相关通路，执行物理和化学防御功能。
图3 不同细胞类型的日灼响应特征
图4 不同细胞类型的转录组差异与功能富集
图5 不同功能类群基因的细胞类型特异性表达模式
图6 激素相关基因的细胞类型特异性表达分布
▎4. 伪时间轨迹分析揭示日灼响应的时序程序化特征
伪时间轨迹分析显示，细胞沿“NE→SB1H→SB1”的日灼发生顺序沿轨迹分布，且三类细胞沿时序依次激活形成级联响应：早期（轨迹前端）以维管细胞为主，富集信号感知、物质运输相关基因，负责胁迫信号的感知与传递；中期（轨迹中段）以中果皮细胞为主，富集光合、代谢合成相关基因，提供能量和代谢底物；后期（轨迹末端）以外果皮细胞为主，富集角质合成、次生代谢相关基因，执行防御功能。该结果首次揭示了葡萄浆果响应日灼的“维管细胞感知信号-中果皮细胞提供代谢支持-外果皮细胞执行防御”的程序化响应通路。
图7 伪时间轨迹分析揭示日灼响应的时序特征
▎5. 共表达网络验证细胞类型的时序响应级联
构建三类细胞的基因共表达网络，获得6个共表达模块，其中vvi3模块为维管细胞特异、vvi2模块为中果皮细胞特异、vvi4模块为外果皮细胞特异。三个模块的核心hub基因沿伪时间轨迹依次激活，进一步验证了三类细胞的程序化响应级联关系，同时挖掘到外果皮响应日灼的核心调控基因集，其中芪合酶基因VvVINST1为外果皮特异表达的核心hub基因。
图8 共表达网络分析验证细胞类型的时序响应级联
▎6. 外果皮特异基因VvVINST1正调控葡萄日灼抗性
功能验证显示，VvVINST1特异性高表达于葡萄外果皮，其表达水平与日灼严重程度、芪类产物反式云杉新苷的积累量呈显著正相关：①异源过表达VvVINST1可显著提升番茄的日灼抗性，转基因株系可积累反式云杉新苷，高温强光胁迫下无明显日灼症状；②葡萄中瞬时过表达VvVINST1可显著提升外果皮反式云杉新苷含量，增强SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，维持激素稳态，显著降低日灼发生率；而VIGS沉默该基因则会显著加重日灼症状。该结果证实VvVINST1通过协同促进芪类物质积累、增强抗氧化防御、维持激素稳态，正调控葡萄日灼抗性。
图9 VvVINST1的表达模式与日灼响应特征
图10 VvVINST1异源过表达增强番茄日灼抗性
图11 VvVINST1正调控葡萄日灼抗性的生理机制验证
图12 VvVINST1促进外果皮反式云杉新苷积累的分子机制
图13 葡萄浆果日灼细胞类型特异性程序化响应模型
讨论与展望
本研究首次构建了葡萄浆果的单核转录组图谱，突破了传统组学无法解析细胞异质性的局限，提出了“细胞类型特异性程序化响应”的日灼调控模型，系统阐明了不同细胞类型在日灼胁迫下的功能分工与时序调控机制。验证的核心基因VvVINST1为葡萄抗日灼分子育种提供了关键靶点，未来可进一步挖掘不同细胞类型的优异等位变异，实现细胞水平的精准抗逆设计育种，为应对全球气候变暖导致的果树高温强光危害提供新的解决方案。
---原文链接---：https://doi.org/10.1093/hr/uhag310
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