IF50.5｜植物免疫中罕见的PRIMER细胞状态

单细胞多组学揭示植物免疫激活中心存在罕见PRIMER细胞，由GT-3A调控。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

植物缺乏特化的移动免疫细胞，因此任何遭遇病原体的细胞都必须自主启动免疫反应并与周围细胞通讯。然而，病原体感染后植物组织中细胞免疫状态的多样性、空间组织及功能仍知之甚少。以往基于原生质体的单细胞转录组研究揭示了拟南芥叶片对毒力病原体的异质性反应，但主要局限于叶肉细胞，且缺乏空间和表观遗传信息。此外，细胞状态特异的基因调控逻辑，如转录因子与顺式调控元件的结合，尚未在植物免疫中系统解析。

科学问题

卡在哪里： 现有研究主要基于毒力病原体感染的原生质体scRNA-seq，细胞类型覆盖有限，且缺乏空间维度和染色质可及性数据。此外，免疫细胞状态特异的转录因子及其靶基因调控网络尚未阐明，尤其是罕见细胞群体在免疫传播中的功能未知。

本文要回答： 本研究旨在通过整合时间分辨的单核多组学和空间转录组数据，系统鉴定拟南芥叶片在病原菌感染下的细胞状态多样性，并解析罕见PRIMER细胞及其调控因子的功能。

技术路线

作者主要用了：snRNA-seq、snATAC-seq、MERFISH、smFISH、拟时序分析、motif富集分析。

作者对拟南芥叶片分别接种毒力菌株DC3000和免疫激活菌株AvrRpt2、AvrRpm1，在多个时间点采集样本，进行单核多组学（snRNA-seq+snATAC-seq）测序。随后，利用MERFISH对500个基因进行空间转录组分析，并通过数据整合将snMultiome定义的细胞状态映射到空间坐标。进一步结合拟时序分析、motif富集和转基因验证，解析罕见PRIMER细胞状态的基因调控网络和功能。

图 1　Fig. 1。图1展示时间分辨snMultiome实验设计及细胞聚类结果。UMAP显示主要细胞类型（表皮、叶肉、维管束）及亚聚类。GO分析显示免疫相关基因在特定叶肉和表皮簇中富集，且在ETI条件下比例更高。韧皮部伴胞亚群8特异性表达ALD1和FMO1，提示其参与SAR。

核心亮点

亮点 1｜免疫细胞状态精细解析

通过第二轮亚聚类，作者在叶肉和表皮中鉴定出免疫激活的细胞亚群，并在韧皮部伴胞中发现一个特异性高表达SAR关键基因ALD1和FMO1的亚群（PCC subcluster 8），提示其可能参与系统性获得性抗性。此外，免疫激活的叶肉细胞中，色氨酸衍生的防御代谢途径（camalexin和吲哚硫苷）呈现细胞亚群特异的区室化表达，表明防御资源分配存在细胞状态水平的精细调控。

图 2　Fig. 2。图2展示motif富集分析流程和结果。比较免疫激活与非激活叶肉簇，发现WRKY和CAMTA等免疫相关motif显著富集。ChromVAR计算单细胞motif富集分数，并与TF表达相关联，鉴定出WRKY46等TF的调控网络，其靶基因富集防御通路。

亮点 2｜PRIMER与bystander细胞状态

空间转录组和拟时序分析揭示，在免疫激活区域中心存在一类罕见的PRIMER细胞，高表达BON3、WRKY8、LSD1等免疫负调控因子，并被bystander细胞包围。bystander细胞高表达ALD1和FMO1等长距离信号分子，提示免疫反应从PRIMER细胞向周围传播。PRIMER细胞富集CAMTA和GT-3A motif，而bystander细胞富集WRKY motif，表明两者具有不同的基因调控逻辑。

图 3　Fig. 3。图3展示MERFISH实验设计和细胞分割。由于DAPI染色效果不佳，作者开发了基于转录本分布的细胞分割方法，成功分割出121,998个细胞。每个细胞中位检测到161个转录本和79个基因。整合聚类得到14个空间上组织良好的细胞簇。

亮点 3｜GT-3A调控PRIMER细胞功能

PRIMER细胞特异性表达转录因子GT-3A，其motif在PRIMER细胞中高度可及。GT-3A过表达植株对DC3000更感病，且SA通路基因诱导受损；而GT-3A敲除突变体对AvrRpt2更感病，且PRIMER细胞中PUB36表达显著下调，bystander细胞中ALD1等防御基因表达降低。这表明GT-3A在PRIMER细胞中负调控SA信号，但为周围细胞有效免疫激活所必需。

图 4　Fig. 4。图4展示snMultiome与MERFISH数据整合结果。通过gimVI将两种模态投射到共同潜在空间，并将snMultiome的细胞类型标签转移到MERFISH细胞上。空间映射显示主要细胞类型定位准确。拟时序分析显示免疫激活区域随时间扩展，且中心细胞拟时序值更高。

亮点 4｜TF-ACR-基因调控模块

通过整合snATAC-seq和snRNA-seq，作者鉴定了大量细胞类型或状态特异的转录因子-可及染色质区域-靶基因模块。例如，WRKY46的motif可及性与mRNA表达在免疫激活的叶肉和表皮细胞中高度重叠，其预测靶基因富集防御相关通路。此外，CAMTA3抑制的基因在bystander细胞中显著富集，支持CAMTA3在PRIMER细胞中发挥转录抑制功能。

图 5　Fig. 5。图5展示PRIMER和bystander细胞的空间分布及GT-3A功能。BON3在免疫区域中心高度受限表达，而ALD1和FMO1在周围细胞表达。GT-3A motif在PRIMER细胞中高度可及，其过表达和敲除实验证实GT-3A负调控SA通路但为局部免疫传播所必需。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： snRNA-seq、snATAC-seq、MERFISH、smFISH、拟时序分析、motif富集分析
• 公开数据： GSE226826、GSE248054
• 代码： 公开仓库 https://github.com/amonell/Spatial_Plant_Pathogen_Atlas、https://github.com/tnobori/snMultiome；本地已克隆：snMultiome、Spatial_Plant_Pathogen_Atlas
• 谁该点开原文： 从事植物免疫、单细胞多组学或空间转录组分析的研究人员。

带走一句

单细胞多组学与空间转录组整合可揭示罕见细胞状态及其调控网络，为解析植物免疫的时空动态提供了新范式。