综述：通过单细胞和空间组学技术，实现对植物免疫网络的系统级理解

《Current Opinion in Plant Biology》：Systems-level understanding of plant immune networks through single-cell and spatial omics

植物免疫系统通过PTI、ETI和SAR三层防御机制识别病原体，NLR受体介导效应蛋白识别与信号传导。单细胞和空间组学揭示免疫响应的细胞特异性与时空异质性，蛋白互作网络（如resistosome复合物）和表观遗传调控（如H3K4me3修饰）共同调控免疫应答。系统生物学整合多组学数据解析防御网络，为作物抗病设计提供理论依据。

　　

Doni Thingujam|Zhengzhi Tan|Yiqing Wang|Ujjal J. Phukan|M Shahid Mukhtar

克莱姆森大学生物科学系，美国南卡罗来纳州克莱姆森市Long Hall 132号，邮编29634

植物具有分层的免疫系统，包括模式触发免疫（PTI）、效应子触发免疫（ETI）和系统获得性抗性（SAR），这些机制使植物能够检测并应对微生物威胁。多项关于植物免疫的研究加深了我们对核苷酸结合亮氨酸富集重复受体（NLRs）在这些防御层中功能的理解。传感器NLRs能够识别病原体效应子，而辅助NLRs则形成抵抗体复合物，驱动下游信号传导，包括钙离子内流、活性氧生成和转录激活。此外，单细胞和空间组学研究揭示了免疫激活的异质性，识别出能够引发强烈局部反应的“启动”细胞以及响应邻近组织信号以维持广泛免疫的“旁观”细胞。结构分析阐明了抵抗体的组装过程，蛋白质组学和互作组学研究则揭示了蛋白质网络如何塑造信号传导的特异性和强度。表观遗传学和RNA介导的机制进一步调节NLR的表达和反应性。在这篇综述中，我们综合探讨了受体激活、基因调控回路、蛋白质相互作用枢纽以及染色质动态如何共同影响免疫结果。

引言

植物的先天免疫通过两个相互关联的层次发挥作用，即模式触发免疫（PTI）和效应子触发免疫（ETI）[1]。当模式识别受体（PRRs）检测到病原体或微生物相关的分子模式（PAMPs/MAMPs）时，PTI在细胞表面被激活，从而引发钙离子内流、活性氧（ROS）爆发、MAPK级联反应以及广泛的转录重编程[2]。ETI主要由细胞内的核苷酸结合亮氨酸富集重复受体（NLRs）介导[3]，这些受体能够识别病原体效应子，并引发比PTI更强的防御反应，通常伴有过敏反应（HR）[2,3]。最新研究表明，NLRs作为模块化信号单元发挥作用。单个NLR在同一个受体中结合了识别和信号传导功能，而成对或网络化的NLR则分别承担这些角色；传感器NLRs识别效应子，而辅助或执行NLRs传递免疫信号[4]。这些局部防御事件与系统获得性抗性（SAR）相关联（图1），后者是一种在远端未感染组织中发生的防御状态，其特征是通过单细胞和空间转录组学研究揭示的空间分辨的转录重编程[5]。由于大多数病原体都会释放针对宿主保守蛋白的毒力蛋白，这表明植物的免疫韧性取决于其基因、蛋白质和代谢物网络的有效协调[6]。这种复杂性跨越多种细胞类型和组织，免疫激活在空间和时间上表现出异质性。在局部受到挑战后，防御激活在细胞间存在异质性和时间变化[7]。系统生物学方法旨在模拟或推断分子网络内部及之间的动态相互作用，而不仅仅是孤立地研究各个组成部分。单细胞和空间分析在一定程度上解决了这一问题，通过揭示细胞间的异质性和批量测量中遗漏的罕见或过渡状态。通过保留组织背景，这些方法可以绘制细胞间相互作用和分子梯度，从而建立系统级组织和功能的定量模型[8]。在植物免疫研究中，单细胞RNA测序（scRNA-seq）能够识别出驱动局部和系统反应的不同细胞群体[5,9]。结合空间转录组学，这种方法可以可视化并量化组织结构中的信号传导梯度和通信途径[5,8]。这篇综述重点介绍了单细胞和空间组学如何解析NLR表达动态、免疫细胞状态以及局部HR和SAR之间的协调，并讨论了表观遗传学、非编码RNA和蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络对免疫结果的调控作用，以及用于工程化更持久和广谱抗性的系统和合成生物学策略。

单细胞和空间组学在植物免疫中的影响

植物免疫反应的复杂性源于多种细胞类型、模块化的受体组织以及动态的空间和时间信号模式[3,10]。单细胞和空间组学技术使得通常在批量测量中隐藏的防御程序图谱得以呈现[7,9,11]。这些研究表明，NLR介导的免疫反应往往具有细胞类型特异性，并受环境条件影响，而不是在整个组织中均匀分布[9,11,12,13]。在拟南芥根中，

蛋白质-蛋白质相互作用网络作为免疫结果的决定性因素

蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络通过捕捉对免疫信号传导至关重要的相互作用模块和枢纽来补充基因调控网络（GRNs）[6,24]。结构研究表明，植物免疫通常依赖于寡聚化的NLR复合物（即抵抗体），这些复合物形成Ca²⁺可渗透通道，将效应子识别与下游信号传导联系起来[??25, 26, 27, ??28]。ZAR1抵抗体形成一个五聚体Ca²⁺通道，驱动过敏反应（HR），而ROQ1结构表明抵抗体的寡聚化和变构转换起着关键作用

基于表观遗传学和非编码RNA的免疫网络调控层

表观遗传学和RNA介导的调控现在被认为是NLR介导的免疫反应的重要组成部分，它们既影响过敏反应（HR）也影响系统获得性抗性（SAR）[40,41]。病原体挑战会引发快速的染色质重塑，激活防御基因启动子（如PR1、SARD1、WRKYs）处的组蛋白标记（如H3K4me3和H3K9ac），同时局部DNA甲基化减少，从而创造转录准备状态[40]。BCG1处的二价组蛋白修饰使真菌病原体能够在侵袭和免疫状态之间切换

数据整合和计算分析的挑战

多组学技术的快速发展，从批量和单细胞转录组学到蛋白质组学、代谢组学、表观基因组学和空间互作组学，为在多个尺度上解析植物免疫调控提供了新的机会[56, 57, 58]。将这些异构数据集整合到一个连贯且生物学上可解释的框架中仍然是一个主要挑战。其中一个主要问题是数据本身的技术异质性

作物改良的转化应用

系统生物学提供了一个综合框架，将单细胞和空间组学发现的机制与作物改良的实际成果联系起来（图4）。将网络建模与多组学结合，可以识别出在不影响生长或产量的情况下提高抗性的调控枢纽。对关键免疫调节因子（如NPR1、EDS1和PAD4）的机制研究表明，免疫反应依赖于蛋白质相互作用、复杂的组成等因素

结论性评论

植物的先天免疫是一个综合系统，其中PTI、ETI和SAR通过受体激活、基因调控回路、蛋白质相互作用枢纽以及表观遗传学和RNA介导的调控相互连接。单细胞和空间组学揭示了有序的免疫生态位和模块化的NLR协作，而结构研究定义了抵抗体的组装和功能。这些进展将研究视角从线性路径转向了分布式的、特定于细胞类型的架构

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了NSF项目IOS-2038872和OIA-2418230（资助给M.S.M.）的支持。