植物免疫是保障作物安全生产的关键防线，大白菜作为我国广泛种植的重要蔬菜，其受软腐果胶杆菌侵染引发的软腐病，严重制约了周年生产与采后流通，而现有高抗种质资源匮乏，防控难度较大。大白菜应对病原菌时细胞型特异性防御的启动模式、N-羟基哌啶酸（NHP）介导的全身免疫调控网络等深层分子机制尚未被系统解析。近日，河北农业大学赵建军教授团队联合南京农业大学张天奇教授在Cell Reports发表了题为“Cell-type-specific defense priming and NHP-dependent systemic immunity against Pectobacterium in Chinese cabbage”的研究论文。该研究借助单细胞核转录组技术（snRNA-seq）构建免疫响应图谱，首次揭示了NHP作为移动信号激活表皮细胞中BrWRKY18-1/BrWRKY33-1调控模块、并依赖PR基因全细胞表达启动系统免疫的分子机制，为大白菜软腐病防控及抗病品种培育提供了全新视角与关键理论支撑。

题目：Cell-type-specific defense priming and NHP-dependent systemic immunity against Pectobacterium in Chinese cabbage

期刊：Cell Reports

DOI：10.1016/j.celrep.2025.116479

发表时间：2025-11-25

研究思路

研究结果

首先，研究团队设置mock/mock（MM）、mock/软腐果胶杆菌接种（MI）、启动/mock（PM）、启动/软腐果胶杆菌接种（PI）四种处理，分别在6h和24h收集系统叶，通过snRNA-seq解析防御启动与系统免疫的细胞动态（图1A）。通过基因组比对与数据质控，绘制了大白菜系统叶的单细胞转录组图谱（图1C-D），从细胞聚类、类型注释到表达特征，清晰呈现了不同处理下的细胞分布。该图谱共包含16,892个高质量细胞，聚类为19个细胞簇，注释出叶肉细胞、维管细胞等6种主要细胞类型，且PM样本中出现与系统获得性抗性（SAR）相关的新亚簇（图1F），PI在24h表现出强抗性（图1B），为后续细胞类型特异性分析奠定了基础。

为明确防御启动的细胞类型特异性，研究团队对簇14（表皮细胞）进行深入分析，通过亚群聚类得到14.0和14.1两个亚簇（图2C）。经差异基因（DEG）和基因本体（GO）分析发现，14.1亚簇主要分布在PM样本中，富集防御响应相关通路；14.0亚簇主要在MI样本中，与代谢过程相关（图2E）。利用植物特异性基因调控网络推断工具MINI-EX和Borda排序，筛选核心转录因子（TFs），其中BrWRKY18-1特异性高表达于14.1亚簇，仅在防御启动状态（PM、PI）中诱导表达，在局部感染（MI）中不激活（图2H、I）。通过病毒诱导基因沉默（VIGS）实验验证，沉默BrWRKY18-1后，PI样本的软腐果胶杆菌感染面积显著增加，表明其是防御启动的关键初始因子（图2J）。

通过差异基因分析发现，BrWRKY33-1在PM和PI中持续高表达，既参与防御启动也维持免疫响应（图3C、E）。经VIGS实验验证，沉默BrWRKY33-1会显著增强PI样本的感病性，与沉默BrWRKY18-1效果一致（图3F）；且沉默BrWRKY18-1后，BrWRKY33-1的转录水平显著降低，反之则无影响（图3G）。通过预测BrWRKY33-1的2K启动子区域，发现3个W-box元件（图3H），进一步经电泳迁移率变动分析（EMSA）和酵母单杂交（Y1H）实验证实，BrWRKY18-1可直接结合该启动子区域，激活其表达（图3H、I）。跨物种验证显示，拟南芥atwrky18、atwrky33突变体的SAR显著减弱，过表达BrWRKY33-1可恢复atwrky18突变体的抗性，证明该调控关系在物种间保守（图3K、L）。

为追踪表皮细胞的防御启动分化过程，研究团队整合表皮细胞（簇4、亚簇14.0和14.1）构建拟时序发育轨迹，发现轨迹分叉为两条分支：分支2代表软腐果胶杆菌激活SAR的路径，系统启动细胞（亚簇14.1）位于该分支末端；分支1与非激活SAR相关（图4A-C）。对轨迹上的1,617个差异基因聚类得到4个模块，BrWRKY18-1和BrWRKY33-1集中在模块1和2，与防御响应、刺激应答相关（图4D）。通过构建转录报告系（pBrWRKY18-1::NLS-eGFP和pBrWRKY33-1::NLS-eGFP）验证，发现两者在PM和PI的表皮细胞中强表达，在MM和MI中表达微弱（图4G）；拟时序分析显示，这两个基因主要聚集在系统启动分支，证实表皮细胞是启动SAR的关键位点，且两者全程参与局部免疫到系统免疫的过程（图4E、F）。

随后通过叶柄渗出液代谢分析，探究防御启动的关键移动信号，发现系统叶中N-羟基哌啶酸（NHP）显著积累，哌啶酸（Pip）含量下降，而水杨酸（SA）、壬二酸（AzA）等信号分子无明显差异（图5A、S7A）。利用拟南芥突变体（atald1、atsard4、atfmo1）验证，这些Pip/NHP合成通路关键基因突变体的SAR显著减弱，对软腐果胶杆菌更易感（图5B）。外源NHP处理实验显示，其可增强大白菜对软腐果胶杆菌的抗性，并显著诱导BrWRKY18-1和BrWRKY33-1的表达（图5D、E）。进一步分析Pip/NHP合成通路基因的细胞类型特异性表达发现，BrALD1主要在表皮细胞亚簇14中表达，BrSARD4在叶肉细胞和束鞘细胞中表达，共同支撑NHP的合成与信号传递（图S7C）。

为探究系统启动增强植物免疫的分子机制，研究团队通过多组比较筛选PI中高诱导表达的基因，发现BrPR3的表达变化最为显著，GO富集分析显示这些基因集中在免疫响应通路（图6A、B）。对28个BrPR基因的表达模式分析发现，BrPR3、BrPR4-1、BrPR4-2、BrPR4-3在多种细胞类型中表达。UMAP可视化显示，这四个基因在MI中主要表达于重编程细胞，表达模式相似；而在PI中，BrPR3、BrPR4-1、BrPR4-2呈现全细胞普遍表达特征，BrPR4-3仅在重编程细胞中低表达（图6E）。通过差异基因筛选，鉴定出127个与系统防御启动相关的基因，均富集于免疫响应相关术语，其中BrPR4-1显著上调（图6C、D）。

最后，研究团队通过VIGS实验验证BrPR基因的功能，发现沉默BrPR3、BrPR4-1或BrPR4-2后，PI样本的软腐果胶杆菌感染面积显著增加，而沉默BrPR4-3对SAR无影响（图7A）。在BrWRKY18-1或BrWRKY33-1沉默的植株中，BrPR3、BrPR4-1、BrPR4-2的表达水平均显著降低，证明其转录依赖于该调控模块（图7B）。利用拟南芥T-DNA插入突变体（atpr3、atpr4）验证，这些突变体的SAR显著弱于野生型，进一步证实PR3和PR4基因在十字花科植物抗软腐果胶杆菌系统免疫中的保守功能（图7C）。

总结

本研究整合snRNA-seq、分子互作验证及跨物种功能验证等技术手段，以大白菜为研究对象，构建了抗软腐果胶杆菌防御启动与系统免疫的单细胞转录组图谱，明确了6种核心细胞类型的免疫分工及表皮细胞亚簇14.1的免疫启动关键作用，鉴定出BrWRKY18-1/BrWRKY33-1调控模块与BrPR3/4家族效应基因，揭示了NHP介导的“移动信号-转录因子-效应基因”轴驱动系统获得性抗性的分子机制。

本研究从单细胞层面系统解析了十字花科蔬菜抗坏死性病原菌的防御启动机制，填补了植物细胞型特异性免疫调控与NHP信号传导网络研究的空白，为解析植物系统免疫的起源与调控逻辑提供了精准视角，为后续通过分子育种、信号分子调控等手段改良大白菜抗病性、解决软腐病防控难题奠定了关键理论基础。