植物根系長期暴露于微生物豐度和多樣性極高的土壤環(huán)境中，與大量益生菌和潛在病原菌共存。根系微生物與根系的互作顯著影響植物的生長發(fā)育和逆境響應(yīng)。解析根系如何與土壤中“朋友”和“敵人”微生物差異化互作，是調(diào)控根系微生態(tài)健康的理論基礎(chǔ)。然而，根系存在較為復(fù)雜的細(xì)胞組成異質(zhì)性（不同細(xì)胞類型以及不同發(fā)育階段的分化），并且不同的細(xì)胞類型存在明顯的免疫響應(yīng)差異性，目前還缺乏對根系與益生菌和病原菌互作響應(yīng)特征的單細(xì)胞水平比較解析研究。
近日，南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院宋毅課題組與翟繼先課題組合作在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上發(fā)表了題為Comparative single-nucleus RNA-seq analysis revealed localized and cell type-specific pathways governing root-microbiome interactions的研究論文，利用單細(xì)胞核測序技術(shù)構(gòu)建了根系與病原菌和益生菌互作的高分辨率單細(xì)胞圖譜和免費(fèi)在線查詢數(shù)據(jù)庫（http://119.45.35.29:14333），并基于多個(gè)啟動(dòng)子序列轉(zhuǎn)基因報(bào)告株系驗(yàn)證了單細(xì)胞表達(dá)譜的精確性。在此基礎(chǔ)上揭示了根系與敵友互作的新路徑。這些高精度單細(xì)胞互作圖譜的建立，有助于推動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步挖掘根系與敵友互作的新基因，和驗(yàn)證已知根系免疫基因的表達(dá)特征，為根系與微生物互作機(jī)制研究提供新范式。
為了比較研究根系對益生菌和病原菌的差異化識(shí)別和響應(yīng)，研究人員選擇了模式促生益生菌WCS417和土傳細(xì)菌病害青枯菌GMI1000作為代表，并基于48孔板水培體系成功構(gòu)建了擬南芥根系早期（6小時(shí)）對WCS417和GMI1000差異化響應(yīng)的單細(xì)胞響應(yīng)圖譜，最終注釋為27個(gè)細(xì)胞類群，合并為11種主要根細(xì)胞類型。進(jìn)一步計(jì)算了每種主要細(xì)胞類型中差異表達(dá)基因（DEGs）的數(shù)量，并對WCS417和GMI1000誘導(dǎo)的DEGs進(jìn)行GO分析。結(jié)果表明，在相互作用的早期階段，根系可以差異化響應(yīng)益生菌和病原菌。
基于根系與WCS417的單細(xì)胞響應(yīng)圖譜，研究人員發(fā)現(xiàn)根系對益生菌響應(yīng)的主要細(xì)胞類型為近端根尖分生組織，主要富集在核糖體和翻譯相關(guān)基因上。通過構(gòu)建RPS2啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)YFP轉(zhuǎn)基因株系驗(yàn)證了核糖體功能相關(guān)基因確實(shí)在根系幼嫩分生組織部位特異性響應(yīng)益生菌的刺激。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)免疫相關(guān)的翻譯調(diào)控因子 cdc123 和 hem1突變體都能夠阻斷益生菌促進(jìn)生長表型【3，4】。同時(shí)研究人員還檢測了其它 13個(gè)核糖體組裝相關(guān)突變體，發(fā)現(xiàn)其中6個(gè)也可以抑制或阻斷WCS417介導(dǎo)的生長促進(jìn)。這些結(jié)果表明核糖體生物發(fā)生和上游翻譯調(diào)節(jié)因子對于WCS417介導(dǎo)的植物生長促進(jìn)是必要的。
先前研究表明，根系成熟區(qū)細(xì)胞在很大程度上失去了對純flg22等免疫刺激因子的免疫響應(yīng)，只有在細(xì)胞損傷和免疫刺激因子刺激同時(shí)發(fā)生的情況下才會(huì)產(chǎn)生免疫反應(yīng)【1】。然而，成熟區(qū)是否對活病原體存在免疫響應(yīng)尚不清楚。本研究發(fā)現(xiàn)根的成熟區(qū)對GMI1000仍表現(xiàn)強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)植保素等次級(jí)代謝產(chǎn)物相關(guān)相關(guān)的免疫基因在根成熟細(xì)胞中特異性響應(yīng)青枯菌誘導(dǎo)。通過構(gòu)建芥子油苷關(guān)鍵合成基因CYP71A12啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)YFP報(bào)告基因株系，也驗(yàn)證了其在成熟區(qū)的細(xì)胞類型特異性免疫響應(yīng)特征。
除此之外，其它次生代謝物相關(guān)途徑比如萜類的合成途徑相關(guān)基因在GMI1000處理后也呈現(xiàn)成熟區(qū)細(xì)胞特異性響應(yīng)青枯菌的表達(dá)模式，通過構(gòu)建三萜類（Thalianin途徑）的關(guān)鍵合成基因THAS1啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的YFP報(bào)告基因系，證實(shí)了THAS1在成熟皮層和非根毛細(xì)胞中的富集表達(dá)。對接種和未接種GMI1000的Col-0（野生型）和thas1突變株進(jìn)行了微生物組測序。結(jié)果表明THAS1參與了根系對GMI1000感染應(yīng)答中的微生物組的塑造，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在GMI1000侵染Col-0根系樣本中的草酸菌科相對豐度顯著增加，并且這一趨勢被thas1突變體所阻斷。 研究人員進(jìn)一步分離并匹配了部分草酸菌并驗(yàn)證了它們對GMI1000的生物保護(hù)效果，結(jié)果表明野生型根微生物組中一些富集的Oxalobacteraceae菌株傾向于保護(hù)根免受GMI1000感染，而低豐度或未富集的Oxalobacteraceae菌株則沒有保護(hù)作用。這揭示了三萜途徑塑造根系菌群的重要生物學(xué)意義可能在于響應(yīng)土傳病害，塑造有益菌群。
圖1.主要研究成果概念圖
南科大生科院助理教授宋毅和研究副教授龍艷萍，黃安誠副教授為該論文的通訊作者。宋毅課題組在讀博士生楊秋華，翟繼先課題組已畢業(yè)博士生李卓雯，宋毅課題組官凱祥、王正洪為論文共同第一作者。南方科技大學(xué)為唯一通訊單位。翟繼先教授為本課題提供了單細(xì)胞技術(shù)支持和重要指導(dǎo)。課題受到深圳市優(yōu)青，國自然面上和廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目支持。
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論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-58395-0
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