白菜表皮细胞特异性防御启动与NHP介导的系统免疫新机制

《Cell Reports》：Cell-type-specific defense priming and NHP-dependent systemic immunity against Pectobacterium in Chinese cabbage

本研究针对植物系统获得性抗性(SAR)中细胞类型特异性防御启动机制不清的问题，通过单核RNA测序技术揭示了白菜中N-羟基哌啶酸(NHP)依赖的防御启动通路。研究发现低剂量胡萝卜软腐果胶杆菌(Pc)诱导表皮细胞中BrWRKY18-1调控BrWRKY33-1表达，进而激活病程相关蛋白(PRs)的广谱表达，阐明了一条从可移动信号到系统免疫的调控轴，为作物抗病育种提供了新靶点。

　　

在植物与病原菌的长期博弈中，植物进化出了精妙的免疫机制。当局部叶片遭受病原菌侵袭时，整个植株会进入"警戒状态"，使未受感染的远端组织对后续入侵产生更强更快的防御反应，这种现象被称为系统获得性抗性(SAR)。然而，这种"免疫记忆"如何在不同的细胞类型中精确启动？移动信号如何协调不同细胞的防御响应？这些核心问题一直困扰着植物免疫研究领域。

胡萝卜软腐果胶杆菌(Pectobacterium carotovorum)作为一种毁灭性坏死营养型病原菌，可引起十字花科蔬菜软腐病，给农业生产造成重大损失。目前缺乏高抗软腐病的种质资源，迫切需要创新策略来控制该病害。虽然已知水杨酸(SA)和哌啶酸(Pip)/N-羟基哌啶酸(NHP)通路在SAR中起关键作用，但细胞类型特异性的防御启动机制仍不清楚。

针对这一科学问题，河北农业大学赵建军团队在《Cell Reports》上发表了最新研究成果。研究人员建立了一个低剂量Pc诱导的防御启动系统，发现局部叶片接种1×10⁷ CFU/mL Pc 48小时后，系统叶片对高剂量Pc(1×10⁸ CFU/mL)攻击表现出显著抗性。通过单核RNA测序(snRNA-seq)技术，团队构建了包含164,892个细胞的高分辨率转录组图谱，揭示了细胞类型特异性的防御启动机制。

研究采用单核RNA测序、病毒诱导基因沉默(VIGS)、拟南芥突变体分析、酵母单杂交(Y1H)、电泳迁移率变动分析(EMSA)、超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)等关键技术，建立了白菜防御启动模型系统，分析了局部和系统叶片的代谢物变化，验证了关键基因的调控关系。

snRNA-seq分析揭示防御启动和感染细胞状态

研究人员对六种处理条件下的系统叶片进行snRNA-seq分析：mock/mock(MM)、mock/Pc接种(MI)、primed/mock(PM)和primed/Pc接种(PI)。UMAP可视化将细胞分为19个簇，其中11个簇可注释为6种细胞类型：叶肉细胞、维管细胞、束鞘细胞、保卫细胞、表皮细胞和伴随细胞。值得注意的是，PM样品中出现了新的表皮细胞亚簇(簇14)和叶肉细胞亚簇(簇3)，这些细胞与启动处理密切相关。

细胞类型特异性系统防御启动基因表达

簇14细胞进一步分为两个亚群：14.1亚群主要存在于PM叶片，与防御响应相关；14.0亚群主要存在于MI叶片，与代谢过程相关。转录因子分析发现BrWRKY18-1在防御启动过程中特异性表达，VIGS实验证实沉默BrWRKY18-1会显著增加植物对Pc的敏感性。

BrWRKY18-1直接靶向BrWRKY33-1调控防御启动

比较簇14和簇3中防御启动状态细胞的差异表达基因，发现342个共同上调基因，其中包含12个在PM中特异性上调的转录因子。BrWRKY33-1不仅在防御启动过程中高表达，在免疫应答中也维持高水平。实验证明BrWRKY18-1可直接结合BrWRKY33-1启动子区的W-box元件，激活其表达。

轨迹分析描绘表皮细胞防御启动连续谱

伪时间轨迹分析显示，表皮细胞在发育过程中逐渐分化为两个分支，其中分支2末端聚集了系统启动细胞(簇14.1)。模块分析发现，防御启动相关基因(如BrWRKY18-1和BrWRKY33-1)在分支2末端特异性诱导表达。

NHP依赖性启动激活BrWRKY18-1和BrWRKY33-1表达

代谢物分析发现，系统叶片中NHP显著积累，而Pip含量下降。拟南芥突变体atald1、atsard4和atfmo1在启动条件下对Pc感染表现出增强的敏感性。外源NHP处理可增强对Pc的抗性，并强烈诱导BrWRKY18-1和BrWRKY33-1表达。

BrPR3和BrPR4的细胞激活模式影响防御启动抗性建立

基因表达分析发现BrPR3、BrPR4-1、BrPR4-2和BrPR4-3在免疫应答中高表达。其中BrPR3、BrPR4-1和BrPR4-2在PI植株的所有细胞中广泛表达，而BrPR4-3表达水平较低。VIGS实验表明沉默BrPR3、BrPR4-1或BrPR4-2会显著削弱SAR能力。

本研究揭示了白菜中一条完整的NHP-WRKY-PR调控轴：低剂量Pc感染诱导局部叶片合成NHP，通过韧皮部运输至系统叶片；NHP激活表皮细胞中BrWRKY18-1表达，进而直接调控BrWRKY33-1转录；这一转录级联最终导致病程相关蛋白(特别是BrPR3、BrPR4-1和BrPR4-2)在所有细胞中的广谱表达，从而建立系统免疫。

该研究的创新性在于首次在单细胞分辨率解析了植物防御启动的细胞类型特异性机制，发现表皮细胞是系统防御启动的关键场所，阐明了WRKY转录因子级联在连接移动信号与系统免疫中的核心作用。这些发现不仅深化了对植物免疫机制的理解，也为作物抗病育种提供了重要靶点，对开发新的病害防控策略具有重要理论意义和应用价值。