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       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。研究中使用九圃培養(yǎng)箱進(jìn)行幼苗的培育（在23°C恒溫，16小時光照/8小時黑暗循環(huán)，光照強(qiáng)度100 μmol·m?2·s?1）中培養(yǎng)。

文獻(xiàn)引用的九圃產(chǎn)品——九圃植物培養(yǎng)箱BPC500H

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58395-0

      為了比較研究根系對益生菌和病原菌的差異化識別和響應(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）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個細(xì)胞類群，合并為11種主要根細(xì)胞類型。進(jìn)一步計算了每種主要細(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啟動子驅(qū)動YFP轉(zhuǎn)基因株系驗證了核糖體功能相關(guān)基因確實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】。同時研究人員還檢測了其它 13個核糖體組裝相關(guān)突變體，發(fā)現(xiàn)其中6個也可以抑制或阻斷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發(fā)生的情況下才會產(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啟動子驅(qū)動YFP報告基因株系，也驗證了其在成熟區(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啟動子驅(qū)動的YFP報告基因系，證實了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  主要研究成果概念圖

      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），并基于多個啟動子序列轉(zhuǎn)基因報告株系驗證了單細(xì)胞表達(dá)譜的精確性。這些高精度單細(xì)胞互作圖譜的建立，有助于推動領(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。

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