Cell Reports | 朱杰等绘制植物—病原菌互作的单细胞图谱

病原体可以从不同的器官或组织（根，茎，叶，果实等）侵染植物产生不同的症状。即使在同一植物组织中， 我们也经常观察到不均一的病害症状。病原体在植物表面的不均匀分布，侵染的不同步性以及植物的免疫反应等都会影响病害症状的发展。传统的植物-病原体相互作用研究主要依赖于整体组织（即整叶或整根）的测定，这极大的提高了我们对植物免疫反应的理解。然而，植物-病原体相互作用的高度动态化的过程却难以体现出来，例如不同细胞类型和亚群之间的功能和基因表达差异，从而影响了我们对植物细胞反应异质性的理解。

单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术可以对成千上万个细胞进行高通量的转录组分析。scRNA-seq可以在基因组水平上，以单个细胞为单位，对不同细胞类型和状态的转录组进行分析。该技术在植物研究中的应用已经拓展了我们对细胞类型、功能和发育的理解。在植物-病原互作领域，寄主在单细胞水平如何应对侵染以及病原体距离对细胞反应的影响，目前尚不清楚。

近日，加州大学戴维斯分校Gitta Coaker研究团队在Cell Press旗下开放获取期刊Cell Reports 上发表了题为Single-cell profiling of Arabidopsis leaves to Pseudomonas syringae infection的研究论文（Gitta Coaker团队朱杰博士为该论文的第一作者），利用单细胞测序技术对被假单胞菌（Pseudomonas syringae）侵染的拟南芥（Arabidopsis）叶片组织进行了分析，建立了一个单细胞转录组图谱。

该通过对细胞群体进行综合分析，该图谱揭示了不同的植物细胞病原体响应群体，其响应状态包括免疫状态、过渡状态和易感状态。参与细菌防御反应， 植物免疫反应和水杨酸反应相关过程的基因在免疫细胞群体中富集，而参与水份运输，茉莉酸和脱落酸 (ABA) 相关过程的基因在易感细胞群体中富集。这些相关过程的基因在一个亚细胞群体中均有表达，但其表达幅度较免疫和易感细胞群体较低，表明此亚细胞群体是在免疫和易感状态之间的中间过渡状态。

基于单细胞转录组的细胞轨迹分析发现处于免疫状态的细胞位于细胞轨迹的早期阶段，而且从免疫状态到易感状态的病程进展是一个连续的过程。该研究分析了不同植物细胞群体的基因表达并利用多个鉴定的报告基因验证了细胞轨迹。与细胞轨迹的结果一致，在免疫细胞群体中显著表达的报告基因也在侵染的早期时间点高度表达，在易感细胞群体中显著表达的报告基因在侵染晚期大量表达。在侵染初期，P. syringae 可以使用气孔进入叶片，并在气孔腔定殖，随后气孔腔周围细胞的免疫基因被大量诱导表达。通过活细胞成像技术，该研究显示在免疫细胞群体中显著表达的报告基因倾向于在被细菌群体定殖或靠近气孔的周围表达，这表明免疫状态中的细胞代表了早期病原体入侵的部位。然而，易感细胞群体中大量表达的报告基因定位更加普遍，并且在感染的后期阶段被高度诱导表达。总的来说，这项工作揭示了侵染叶片内的细胞异质性，并提高了植物在单细胞水平上对侵染差异响应的理解。

组织或群体水平进行的转录分析会掩盖处于不同反应状态的细胞，因为这种分析均化并稀释了不同细胞的信号。由于单细胞转录组技术的高度细胞特异性基因表达，通过比较免疫与易感细胞群体中基因表达的调控，该研究鉴定到参与到植物-病原体相互作用的候选基因或基因家族。在过去几十年中，调节植物免疫识别和信号传导的基因已经得到了很好的研究，但易感基因的鉴定与研究却进展很慢。由于基因编辑技术的飞速发展和监管监督的变化，易感基因是改良开发抗病作物非常有吸引力的靶标。未来随着在高分辨率空间转录组学方面的进一步发展，将能够同时对植物和病原体组织进行分析。这将有助于在空间位置的背景下去理解复杂的植物-病原体相互作用。在整个病害发展过程中对植物反应在单细胞水平的详细研究也将有助于全面了解调控植物病害发展的机制。

综上所述，单细胞技术在植物病原互作研究中具有独特的优势，可以揭示病原体感染的植物细胞水平动态，发现一些罕见或特异性的细胞亚群，有助于鉴定新的关键调控基因和信号通路，了解病原体侵染策略，植物免疫应答以及两者之间的动态互作，并最终为病害诊断和抗性品种培育提供重要线索。

论文链接：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(23)00687-3

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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