单细胞转录组解析根系微生物互作的时空特异性免疫调控机制

《Nature Communications》：Comparative single-nucleus RNA-seq analysis revealed localized and cell type-specific pathways governing root-microbiome interactions

编辑推荐：本研究通过单核RNA测序(snRNA-seq)技术，系统揭示了拟南芥根系对有益菌Pseudomonas simiae WCS417和病原菌Ralstonia solanacearum GMI1000的差异化响应机制，发现近端分生组织细胞中核糖体相关基因的特异性激活促进植物生长，而成熟区细胞通过三萜类化合物(thalianin)生物合成途径重塑微生物组，为理解植物-微生物互作提供了单细胞水平的时空动态视角。

　　

植物根系作为土壤与植物交互的第一道防线，长期面临着"敌友难辨"的困境——既要接纳促进生长的有益微生物，又需抵御致命病原体的侵袭。这种精妙的平衡背后，隐藏着怎样的细胞类型特异性"识别密码"？传统研究受限于组织异质性和技术瓶颈，难以揭示根系不同发育区域对微生物的差异化响应机制。南方科技大学的研究团队在《Nature Communications》发表的最新成果，通过创新的单核转录组技术，绘制了首张根系单细胞分辨率"免疫应答地图"。

研究采用无原生质体化的单核RNA测序(snRNA-seq)技术，对接种有益菌WCS417、病原菌GMI1000及对照组的拟南芥根系进行6小时处理后的52,706个细胞核进行分析。通过整合Seurat CCA算法和CELLEX注释系统，将细胞划分为27个亚群，涵盖11种主要根系细胞类型。研究特别关注了自然土壤来源的有益菌WCS417和毁灭性病原菌GMI1000这两种典型微生物的早期互作特征。

研究发现，在近端分生组织细胞中，WCS417特异性诱导核糖体复合体形成和翻译延伸相关基因的表达，包括RPS18A、RPL24等12个核糖体蛋白基因。通过构建pAT3G30600::YFP-NLS报告株系和13个核糖体相关基因的T-DNA插入突变体验证，证实翻译起始因子CDC123(dst7)和HEM1(dst5)调控的蛋白质翻译机制是WCS417介导生长促进的关键。有趣的是，这些突变体虽不影响细菌定殖，但显著抑制了侧根形成和地上部生物量增加，揭示了一种独立于免疫识别的共生调控途径。

在病原响应方面，研究颠覆了"成熟区免疫沉默"的传统认知。单细胞数据表明GMI1000在成熟区毛状体和非毛状体细胞中强烈激活970个核心免疫基因，特别是色氨酸衍生代谢物(如camalexin)合成通路的关键基因CYP71A12。通过pCYP71A12::YFP-NLS报告系统证实，该基因在成熟区的表达强度显著高于分生区。更引人注目的是，三萜类化合物生物合成基因(THAS1/THAR1等)呈现类似的成熟区特异性诱导模式，体内实验显示三萜合成突变体thas1完全丧失了GMI1000感染后的微生物组重塑能力。

微生物组测序揭示，野生型植株在病原胁迫下显著富集草酸杆菌科(Oxalobacteraceae)菌株，其中分离株Massilia sp.22G3和Undibacterium sp.10G7展现出显著的生防效果。而thas1突变体则出现Comamonadaceae菌群的异常增殖，证实三萜代谢物是根系"求救信号"的化学媒介。这种细胞类型特异性的代谢重编程，为理解植物"分区防御"策略提供了新视角。

该研究建立了首个根系单细胞水平的微生物互作数据库，揭示了三个关键生物学发现：核糖体功能调控的有益菌共生机制、成熟区细胞的"代谢武器库"防御策略，以及三萜化合物介导的微生物组生态位重塑。这些发现不仅为作物抗病育种提供了新靶点（如THAS1和核糖体蛋白基因），更重要的是提出了"时空特异性免疫"的新范式——植物通过发育区域的差异化基因表达，实现对复杂微生物环境的精准调控。研究者开发的snRNA-seq技术方案，克服了传统原生质体制备导致的转录扰动，为植物单细胞研究树立了新标准。这项研究为解密"根系语言"、开发微生物组定向调控技术奠定了理论基础，对可持续农业的发展具有重要启示意义。