科学家开发了一个全面的资源，详细描述了植物细胞在免疫反应中的行为，揭示了一种新的和罕见的细胞类型，称为初级免疫应答细胞（PRIMER），它作为协调植物防御策略的核心枢纽。这个易于获取的数据库阐明了植物免疫反应，这在气候变化和抗微生物抗药性上升的时代愈发重要。
人类的身体利用多种免疫细胞，这些免疫细胞在器官之间移动，处理从轻微伤害到重大疾病的各种情况。相比之下，植物由于其静止的特性，必须依靠各自的细胞来处理自身的免疫反应。每个植物细胞既要管理自身的免疫，又要执行如光合作用等能量和生长所需的基本功能。然而，允许这些多任务细胞检测威胁、进行沟通并展开有效防御的机制，在很大程度上仍然未知。
来自索尔克研究所的科学家的最新研究揭示了植物细胞如何调整其角色以抵御病原体。当面临潜在威胁时，这些细胞采用独特的免疫状态，并转变为初级免疫应答细胞（PRIMER）。这种新识别的细胞群体充当启动免疫反应的核心枢纽。此外，研究人员发现PRIMER细胞有邻近的细胞称为旁观细胞，这些细胞似乎在将免疫反应传播到整个植物中起着至关重要的作用。
这项研究发表在《自然》杂志上（2025年1月8日），增强了我们对植物免疫系统的理解。随着抗微生物抗药性和气候变化带来的挑战增多，这种知识变得愈发相关，因为这些挑战促进了传染病的传播。
“植物不断受到攻击，需要有效的免疫系统才能生存，”研究的首席作者、遗传学研究的重要人物约瑟夫·埃克尔教授解释道。“与动物不同，植物缺乏移动的、专门的免疫细胞，这迫使它们创造了一种完全不同的防御机制，其中每个细胞必须在完成其他功能的同时，对免疫威胁做出反应。迄今为止，这一过程的细节仍然有些模糊。”
植物面临无数病原体，包括通过叶孔渗透的细菌和侵入植物细胞表面的真菌。当这些病原体被识别时，植物细胞必须独立解决威胁并向其附近的邻居发出信号。植物细胞的固定位置还意味着各种病原体可能在不同时间侵入不同区域，导致植物上同时发生多阶段的免疫反应。
鉴于时间、位置和反应状态等因素的复杂性，理解受感染的植物并不是一件容易的事情。为了应对这一复杂性，索尔克团队采用了两种先进的细胞分析方法：时间分辨的单细胞多组学和空间转录组学。通过结合这些技术，他们成功地在前所未有的细节水平上捕捉了植物免疫反应。
“这些罕见的PRIMER细胞及其邻近的旁观细胞的识别为植物细胞如何沟通以应对日常面临的各种外部挑战提供了重要的见解，”该研究的第一作者、英国Sainsbury实验室的领先研究人员名取达也表示。
为了探索这些动态，研究团队向“拟南芥”（一种常用于研究的十字花科开花植物）的叶子中引入了细菌病原体。他们广泛分析了植物的免疫反应，以确定感染后每个细胞的具体状态。通过这项研究，他们识别出一种新型免疫状态，称为PRIMER，形成在位于特定免疫热区的细胞中。PRIMER细胞表现出一种新的转录因子GT-3a，这是一种调节基因活性的必需蛋白，表明它在植物免疫网络中可能作为其他细胞的早期预警信号。
围绕PRIMER细胞的邻近细胞同样重要。这些相邻细胞被称为“旁观细胞”，研究发现这些细胞表达有助于细胞之间远程通信的基因。未来的研究将旨在阐明PRIMER与旁观细胞之间的相互作用，但早期迹象表明，它们的相互作用对于在叶片间传播免疫反应至关重要。
这种对植物免疫反应的创新和详细的视角现在可以作为全球研究人员的参考数据库。随着病原体的演变和气候相关环境变化及抗生素抗药性的上升，这个数据库为确保植物和作物的未来健康提供了至关重要的基础。
“科学界对全面细胞图谱的兴趣日益增长，我们非常高兴能为研究人员提供一个公开可访问的图谱，”埃克尔补充道。“我们的图谱有潜力引导大量关于单个植物细胞如何应对环境压力的新见解，这对于在气候挑战面前开发更具韧性的作物至关重要。”
这项研究的其他贡献者包括约瑟夫·内里、亚历克斯·莫内尔、特拉维斯·李（来自索尔克）和日本京都大学的坂田由佳、白濑翔真、峰明。
这项研究得到了霍华德·休斯医学研究所和人类前沿科学计划的支持。
