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索尔克大学的科学家们创建了一个新的免疫反应过程中的植物细胞图谱，进而发现了一种新的罕见的细胞状态，称为初级免疫应答器（PRIMER），它作为免疫反应中心，在整个植物中启动防御策略。公开可用的数据库为植物免疫反应提供了新的见解-面对气候变化日益增长的抗菌素耐药性，这是一项紧迫的任务。
人体利用从一个器官到另一个器官循环的多种免疫细胞来保护自己，对从割伤到感冒到癌症的各种疾病做出反应。但植物没有这种奢侈。因为植物细胞是固定不动的，每个细胞除了承担许多其他责任外，还被迫管理自己的免疫力，比如将阳光转化为能量或利用这些能量生长。这些多任务细胞是如何完成任务的——探测威胁，传达这些威胁，并有效地做出反应——目前还不清楚。
索尔克研究所的科学家们的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，细胞进入一种特殊的免疫状态，暂时成为初级免疫应答（PRIMER）细胞——一种新的细胞群，作为启动免疫反应的中心。研究人员还发现，PRIMER细胞被另一群细胞包围，他们称之为旁观者细胞，这些细胞似乎对在整个植物中传递免疫反应很重要。
研究结果发表在2025年1月8日的《自然》杂志上，使研究人员更接近了解植物免疫系统——在抗菌素耐药性和气候变化威胁日益严重的情况下，这一任务越来越重要，这两者都加剧了传染病的传播。
“在自然界中，植物不断受到攻击，需要一个功能良好的免疫系统，”该研究的高级作者、索尔克国际遗传学委员会主席、霍华德休斯医学研究所研究员约瑟夫·埃克教授说。“但是植物不像我们一样有可移动的、专门的免疫细胞——它们必须想出一个完全不同的系统，每个细胞都可以在不牺牲其他功能的情况下对免疫攻击做出反应。”直到现在，我们还不太确定植物是如何做到这一点的。”
植物会遇到各种各样的病原体，比如通过叶子表面毛孔潜入的细菌，或者直接侵入植物“皮肤”细胞的真菌。由于植物细胞是静止的，当它们遇到任何这些病原体时，它们就会对周围的细胞做出反应并发出警报。固定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，导致在整个植物中同时发生不同的免疫反应阶段。
由于时间、地点、反应状态等因素都在起作用，受感染的植物是一个难以理解的复杂有机体。为了解决这个问题，索尔克团队求助于两种复杂的细胞分析技术，即时间分辨单细胞多组学和空间转录组学。通过将两者配对，该团队能够以前所未有的时空分辨率捕获每个细胞中的植物免疫反应。
第一作者Tatsuya Nobori说：“发现这些罕见的PRIMER细胞和它们周围的旁观者细胞是对植物细胞如何在日常面临的许多外部威胁中生存下来的巨大洞察。”Tatsuya Nobori是Ecker实验室的前博士后研究员，现任英国塞恩斯伯里实验室的小组负责人。
研究小组将细菌病原体引入拟南芥（Arabidopsis thaliana）的叶子中，拟南芥是芥菜科的一种开花杂草，通常被用作研究模型。然后，他们分析了植物的反应，以全面识别每个细胞在感染时的状态。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，它可能是一个重要的上游警报，提醒其他细胞积极的植物免疫反应。
此外，这些PRIMER细胞周围的细胞也同样重要。这些紧邻PRIMER细胞的细胞被称为“旁观者细胞”，它们表达的基因能够实现细胞间的远距离通信。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上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已经可以作为全球研究人员的参考数据库。随着病原体在与气候相关的环境变化和抗生素耐药性上升中不断进化和传播，该数据库为保护一个充满健康植物和作物的未来提供了一个重要的跳板。
“现在对详细的细胞图谱有很多兴趣和需求，所以我们很高兴能创建一个新的，可供其他研究人员公开使用的图谱，”Ecker说。“我们的地图集可能会导致许多关于单个植物细胞如何应对环境压力的新发现，这对于创造更具气候适应性的作物至关重要。”
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