索尔克研究所发现植物免疫“启动细胞”，可提升作物抗病性

索尔克研究所发现植物免疫“启动细胞”，可提升作物抗病性

索尔克研究所的最新研究揭示了植物细胞如何转换角色来保护自己免受病原体的侵害。研究发现，当遇到威胁时，植物细胞会进入一种特殊的免疫状态，并暂时成为初级免疫反应（PRIMER）细胞。这一发现为理解植物免疫系统提供了新的视角，对于培育更具气候适应力的作物具有重要意义。

人体利用多种免疫细胞来保护自己，这些免疫细胞从一个器官循环到另一个器官，对从割伤、感冒到癌症等各种疾病做出反应。但植物却没有这种奢侈。由于植物细胞是不可移动的，每个细胞除了要承担许多其他责任（如将阳光转化为能量或利用该能量生长）外，还被迫管理自己的免疫力。这些多任务细胞如何完成这一切（检测威胁、传达威胁并有效应对）仍不清楚。

索尔克研究所科学家的最新研究揭示了植物细胞如何转换角色来保护自己免受病原体的侵害。当遇到威胁时，细胞会进入一种特殊的免疫状态，并暂时成为初级免疫反应 (PRIMER) 细胞——一种充当启动免疫反应枢纽的新细胞群。研究人员还发现，PRIMER 细胞被另一群被他们称为旁观者细胞的细胞所包围，这些细胞似乎对于在整个植物中传递免疫反应很重要。

这项研究结果发表于自然8 年 2025 月 XNUMX 日，让研究人员更深入地了解植物免疫系统——在抗生素耐药性和气候变化威胁日益加剧的背景下，这项任务变得越来越重要，这两者都加剧了传染病的传播。

在受病原体感染的植物叶片的一部分中可视化基因表达。

“在自然界中，植物经常受到攻击，需要一个功能良好的免疫系统，”教授说约瑟夫·艾克，这项研究的资深作者，索尔克国际遗传学理事会主席，霍华德休斯医学研究所研究员。“但植物不像我们一样拥有移动的、专门的免疫细胞——它们必须想出一个完全不同的系统，让每个细胞都能对免疫攻击作出反应，而不会牺牲它们的其他职责。到目前为止，我们还不太清楚植物是如何做到这一点的。”

植物会遇到各种各样的病原体，比如通过叶片表面毛孔潜入的细菌或直接侵入植物“皮肤”细胞的真菌。由于植物细胞是静止的，当它们遇到任何一种病原体时，它们就会独自负责响应并警告附近的细胞。不动细胞的另一个有趣的副作用是，不同的病原体可能在不同的位置和时间进入植物，导致整个植物同时发生不同的免疫反应阶段。

由于时间、位置、反应状态等因素都在起作用，受感染的植物是一种难以理解的复杂生物。为了解决这个问题，索尔克研究小组采用了两种复杂的细胞分析技术，即时间分辨的单细胞多组学和空间转录组学。通过将这两者结合起来，该团队能够以前所未有的时空分辨率捕捉到每个细胞中的植物免疫反应。

“发现这些罕见的 PRIMER 细胞及其周围的旁观者细胞，对我们了解植物细胞如何进行交流以在日常面临的许多外部威胁中生存下来具有重要的意义，”第一作者、Ecker 实验室前博士后研究员、现任英国 Sainsbury 实验室组长 Tatsuya Nobori 说道。

左起：约瑟夫·埃克和登也达也。

研究小组将细菌病原体引入到拟南芥—一种芥菜科的开花杂草，通常用作研究模型。然后，他们分析了植物的反应，以全面识别感染后每个细胞的状态。在此过程中，他们发现了一种新的免疫反应状态，他们称之为 PRIMER，这种状态出现在特定免疫热点的细胞中。PRIMER 细胞表达了一种新的转录因子——一种调节基因表达的蛋白质——称为 GT-3a，这可能是提醒其他细胞注意植物免疫反应的重要上游警报。

此外，这些 PRIMER 细胞周围的细胞也同样重要。这些细胞被称为“旁观者细胞”，它们紧邻 PRIMER 细胞，表达的基因能够实现细胞间的长距离通讯。研究人员计划在未来的研究中阐明这种关系，但目前，他们怀疑 PRIMER 和旁观者细胞之间的相互作用是在整个叶子中传播免疫反应的关键。

这种对植物免疫反应的时空、细胞特异性的新见解是已可用作参考数据库为全世界的研究人员提供信息。随着病原体在与气候相关的环境变化和抗生素耐药性不断增加的情况下不断进化和传播，该数据库为保护充满健康植物和农作物的未来提供了重要的跳板。

“如今人们对详细的细胞图谱有着浓厚的兴趣和需求，因此我们很高兴能够创建一个可供其他研究人员使用的新图谱，”Ecker 说道。“我们的图谱可能会带来许多关于单个植物细胞如何应对环境压力的新发现，这对于培育更具气候适应力的作物至关重要。”

这项工作得到了霍华德休斯医学研究所和人类前沿科学计划的支持。