Nature commun | 南科大宋毅课题组/翟继先课题组合作解析根系与益生菌和病原菌互作新路径

植物根系长期暴露于微生物丰度和多样性极高的土壤环境中，与大量益生菌和潜在病原菌共存。根系微生物与根系的互作显著影响植物的生长发育和逆境响应。解析根系如何与土壤中“朋友”和“敌人”微生物差异化互作，是调控根系微生态健康的理论基础。然而，根系存在较为复杂的细胞组成异质性（不同细胞类型以及不同发育阶段的分化），并且不同的细胞类型存在明显的免疫响应差异性，目前还缺乏对根系与益生菌和病原菌互作响应特征的单细胞水平比较解析研究。

近日，南方科技大学生命科学学院宋毅课题组与翟继先课题组合作在学术期刊Nature Communications上发表了题为Comparative single-nucleus RNA-seq analysis revealed localized and cell type-specific pathways governing root-microbiome interactions的研究论文，利用单细胞核测序技术构建了根系与病原菌和益生菌互作的高分辨率单细胞图谱和免费在线查询数据库（http://119.45.35.29:14333），并基于多个启动子序列转基因报告株系验证了单细胞表达谱的精确性。在此基础上揭示了根系与敌友互作的新路径。这些高精度单细胞互作图谱的建立，有助于推动领域内利用这些数据进一步挖掘根系与敌友互作的新基因，和验证已知根系免疫基因的表达特征，为根系与微生物互作机制研究提供新范式。

为了比较研究根系对益生菌和病原菌的差异化识别和响应，研究人员选择了模式促生益生菌WCS417和土传细菌病害青枯菌GMI1000作为代表，并基于48孔板水培体系成功构建了拟南芥根系早期（6小时）对WCS417和GMI1000差异化响应的单细胞响应图谱，最终注释为27个细胞类群，合并为11种主要根细胞类型。进一步计算了每种主要细胞类型中差异表达基因（DEGs）的数量，并对WCS417和GMI1000诱导的DEGs进行GO分析。结果表明，在相互作用的早期阶段，根系可以差异化响应益生菌和病原菌。

基于根系与WCS417的单细胞响应图谱，研究人员发现根系对益生菌响应的主要细胞类型为近端根尖分生组织，主要富集在核糖体和翻译相关基因上。通过构建RPS2启动子驱动YFP转基因株系验证了核糖体功能相关基因确实在根系幼嫩分生组织部位特异性响应益生菌的刺激。进一步研究发现免疫相关的翻译调控因子 cdc123 和 hem1突变体都能够阻断益生菌促进生长表型【3，4】。同时研究人员还检测了其它 13个核糖体组装相关突变体，发现其中6个也可以抑制或阻断WCS417介导的生长促进。这些结果表明核糖体生物发生和上游翻译调节因子对于WCS417介导的植物生长促进是必要的。

先前研究表明，根系成熟区细胞在很大程度上失去了对纯flg22等免疫刺激因子的免疫响应，只有在细胞损伤和免疫刺激因子刺激同时发生的情况下才会产生免疫反应【1】。然而，成熟区是否对活病原体存在免疫响应尚不清楚。本研究发现根的成熟区对GMI1000仍表现强烈的免疫反应，进一步分析发现植保素等次级代谢产物相关相关的免疫基因在根成熟细胞中特异性响应青枯菌诱导。通过构建芥子油苷关键合成基因CYP71A12启动子驱动YFP报告基因株系，也验证了其在成熟区的细胞类型特异性免疫响应特征。

除此之外，其它次生代谢物相关途径比如萜类的合成途径相关基因在GMI1000处理后也呈现成熟区细胞特异性响应青枯菌的表达模式，通过构建三萜类（Thalianin途径）的关键合成基因THAS1启动子驱动的YFP报告基因系，证实了THAS1在成熟皮层和非根毛细胞中的富集表达。对接种和未接种GMI1000的Col-0（野生型）和thas1突变株进行了微生物组测序。结果表明THAS1参与了根系对GMI1000感染应答中的微生物组的塑造，同时发现在GMI1000侵染Col-0根系样本中的草酸菌科相对丰度显著增加，并且这一趋势被thas1突变体所阻断。 研究人员进一步分离并匹配了部分草酸菌并验证了它们对GMI1000的生物保护效果，结果表明野生型根微生物组中一些富集的Oxalobacteraceae菌株倾向于保护根免受GMI1000感染，而低丰度或未富集的Oxalobacteraceae菌株则没有保护作用。这揭示了三萜途径塑造根系菌群的重要生物学意义可能在于响应土传病害，塑造有益菌群。

图1.主要研究成果概念图

南科大生科院助理教授宋毅和研究副教授龙艳萍，黄安诚副教授为该论文的通讯作者。宋毅课题组在读博士生杨秋华，翟继先课题组已毕业博士生李卓雯，宋毅课题组官凯祥、王正洪为论文共同第一作者。南方科技大学为唯一通讯单位。翟继先教授为本课题提供了单细胞技术支持和重要指导。课题受到深圳市优青，国自然面上和广东省创新团队项目支持。

参考文献：

1. Zhou, F., et al., Co-incidence of Damage and Microbial Patterns Controls Localized Immune Responses in Roots. Cell, 2020. 180(3): p. 440-453.e18.

2. Spriggs, K.A., M. Bushell, and A.E. Willis, Translational regulation of gene expression during conditions of cell stress. Mol Cell, 2010. 40(2): p. 228-37.

3. Chen, T., et al., Global translational induction during NLR-mediated immunity in plants is dynamically regulated by CDC123, an ATP-sensitive protein. Cell Host Microbe, 2023. 31(3): p. 334-342.e5.

4. Zhou, Y., et al., Plant HEM1 specifies a condensation domain to control immune gene translation. Nat Plants, 2023. 9(2): p. 289-301.

5. Yang, L., et al., Co-regulation of indole glucosinolates and camalexin biosynthesis by CPK5/CPK6 and MPK3/MPK6 signaling pathways. J Integr Plant Biol, 2020. 62(11): p. 1780-1796.

6. Huang, A.C., et al., A specialized metabolic network selectively modulates Arabidopsis root microbiota. Science, 2019. 364(6440).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-58395-0