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)的轉錄組測序只能提供組織水平的平均化數(shù)據(jù)，掩蓋了個體細胞之間的差異性，難以捕捉細胞層面的精細響應，因此深入理解植物在細胞水平上的響應變得愈發(fā)緊迫。

近日，浙江農(nóng)林大學沈錦波教授團隊在植物科學領域國際權威期刊Trends in Plant Science在線發(fā)表了題為Mapping plant cell-type-specific responses to environmental stresses的綜述論文，系統(tǒng)闡述了單細胞/單核RNA測序（single-cell/nucleus RNA sequencing，sc/snRNA-seq）和空間轉錄組學（spatial transcriptomics，ST）技術在解析植物細胞類型特異性脅迫響應機制方面的最新進展，為培育適應氣候變化的新型作物提供了重要理論基礎。這項研究揭示，植物并非以統(tǒng)一方式應對環(huán)境威脅，而是通過不同細胞類型的精密分工，構建起空間特異性的防御網(wǎng)絡。

從組織平均到細胞精度：研究范式的根本轉變

傳統(tǒng)植物生物學研究依賴bulk RNA測序技術，將整塊組織（如葉片或根系）碾磨后提取RNA進行分析。這種方法雖然提供了基因表達的總體圖景，卻掩蓋了細胞間的關鍵差異（圖1）。“當我們把組織視為均質(zhì)整體時，會錯過真正決定植物生死的關鍵機制，”論文通訊作者沈錦波教授解釋道，“例如，在病原體侵染時，只有直接受侵染的細胞及其鄰近細胞啟動防御程序，而遠距離細胞維持正常生長功能。這種空間 Precision 的調(diào)控機制，只有通過單細胞分辨率的技術才能解析。”而單細胞技術的出現(xiàn)標志著重要的進步，使研究人員能夠探索組織內(nèi)的細胞異質(zhì)性。

圖1：轉錄組分析技術。從傳統(tǒng)Bulk RNA測序到單細胞RNA測序再到空間轉錄組學的技術演進示意圖。

技術突破：克服植物細胞壁障礙

植物單細胞研究面臨獨特挑戰(zhàn)，堅硬的細胞壁阻礙細胞分離，實現(xiàn)這些發(fā)現(xiàn)的關鍵在于單細胞分離技術的進步（圖2）。該綜述詳細評估了多種細胞分離策略：顯微操作與稀釋法；微流控技術；熒光/磁激活細胞分選（FACS/MACS）；激光捕獲顯微切割（LCM）。對于原生質(zhì)體分離（scRNA-seq）與細胞核提取（snRNA-seq）兩種策略，研究指出：酶解法分離原生質(zhì)體會激活2000-6000個基因的表達變化，包括細胞壁完整性響應和防御通路，可能掩蓋真實的脅迫響應信號。對于木質(zhì)化組織或已受脅迫處理的樣品，單核測序避免原生質(zhì)體制備過程，保留更真實的轉錄狀態(tài)（圖3A）。無需酶解的原位檢測技術（如MERFISH、Stereo-seq，圖3B-D）保留組織微環(huán)境信息，可解析感染位點與遠端組織的基因表達梯度。

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

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

脅迫響應的單細胞分析

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利用單細胞/單核RNA測序（sc/snRNA-seq）和空間轉錄組學（ST）技術獲得的突破性發(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（細菌、真菌、病毒侵染）和非生物脅迫（高溫、干旱、鹽脅迫、營養(yǎng)缺乏）兩大類別。單細胞和空間分析表明，這種應對脅迫的細胞間相互作用可能不僅僅是獨立通路的疊加，而是重塑信號層級、改變細胞狀態(tài)軌跡，并在組織中重新分布空間響應模式。研究分析表明，植物免疫以“防御微域”（defensive microdomains）形式精準啟動，而不是在組織中均勻部署（圖4A）。這些免疫響應在空間上被限制在病原體鄰近區(qū)域，通過協(xié)調(diào)的細胞間信號在相鄰細胞中觸發(fā)分層激活，包括Ca2+、ROS傳播和依賴SA的信號。與局部化的生物脅迫響應不同，高溫、干旱等非生物脅迫往往影響整個器官，但單細胞研究揭示，即使在這種系統(tǒng)性脅迫下，不同細胞類型仍展現(xiàn)獨特的適應策略（圖4B）。

圖4：通過sc/snRNA-seq和ST鑒定的植物細胞對環(huán)境信號的響應示意圖。(A) 細胞間通訊；(B) 細胞類型/組織特異性響應。

當然，研究團隊在運用單細胞測序技術時也遇到很多難題，如細胞壁干擾、植物原生質(zhì)體分離的技術挑戰(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和細胞動態(tài)方面的局限性，推進植物細胞間通信的研究以及計算上的挑戰(zhàn)和缺乏高質(zhì)量的標記等，同時也提出固定化處理、多組學整合、人工智能輔助分析等解決方法。總之，植物多組學整合可以更好促進人類對植物應激生物學中細胞特異性反應和細胞與細胞之間相互作用的理解，對于培育對氣候變化和病原損害具有增強耐受性的作物，助力于可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展至關重要。

浙江農(nóng)林大學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。該研究同時得到浙江農(nóng)林大學王懿祥教授、鄭州大學郭秋月、四川農(nóng)業(yè)大學蔡易教授、浙江大學杜鵑教授、杭州師范大學皮二旭教授、荷蘭萊頓大學丁平濤教授的指導。此研究得到了中國國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、浙江農(nóng)林大學啟動基金以及"111"項目的資助。

《Trends in Plant Science》是Cell Press旗下權威綜述期刊，發(fā)表植物科學領域最新進展和前沿觀點。沈錦波教授于2013年在香港中文大學姜里文實驗室獲得博士學位，并繼續(xù)博士后研究工作。2018年加入浙江農(nóng)林大學，入選國家青年人才計劃、浙江省海外高層次人才項目及浙江省杰出青年基金等人才計劃。沈錦波教授聚焦經(jīng)濟林木（核桃、薄殼山核桃等）產(chǎn)業(yè)需求，整合細胞生物學與多維度成像技術等手段，重點研究囊泡運輸在種子營養(yǎng)物質(zhì)（蛋白質(zhì)、油脂）貯藏及逆境響應中的分子機制，建立了植物細胞器pH檢測方法和全細胞三維電鏡成像技術，為提高種子品質(zhì)、增強農(nóng)林作物抗逆能力提供科學依據(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，沈錦波教授團隊長期招聘博士后、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