中国科学院遗传与发育生物学研究所任勃课题组与钱文峰课题组合作在JIPB上发表题为“A high-resolution transcriptomic atlas depicting nitrogen fixation and nodule development in soybean”的研究文章。该研究利用单细胞核转录组测序绘制了高分辨率大豆根瘤发育和共生固氮的转录图谱。

根瘤是豆科植物固氮的器官，由根瘤菌和植物共生形成。由于其复杂的细胞异质性，研究大豆根瘤发育和共生固氮分子机理的转录水平调控充满挑战。为了解决这些问题，研究者充分利用的单细胞核测序的优势，选取接种根瘤菌14天、包含不同发育状态根瘤的大豆地下器官进行单细胞核测序。利用已知拟南芥同源标记基因和启动子融合GUS报告系统鉴定新的标记基因两种策略，该研究对大豆根及根瘤的不同细胞类型进行注释，得到17个不同细胞类型。其中6个为根瘤所特有细胞类型，包括外周皮层、内周皮层、中柱鞘相关的形成层、韧皮部相关中柱鞘、非侵染细胞和侵染细胞，这些细胞特异表达大量重要结瘤基因。

豆科植物的根瘤根据来源、形态和结构的不同可分为定型(如大豆)和非定型(如苜蓿)两类。通过与已报道苜蓿单细胞（核）测序数据整合比较，研究人员发现尽管大豆与苜蓿根的细胞类型相似，但是根瘤之间细胞类型差异非常大。为了进一步研究这种定型和非定型根瘤的发育和代谢差异，该研究通过富集分析发现与苜蓿不定型根瘤不同，大豆定型根瘤里有大量上调基因富集在嘌呤代谢和转运途径。在37个大豆嘌呤途径相关基因中，有32个在根瘤特异细胞类群表达。利用鉴定到的根瘤细胞类型，研究者修正了大豆根瘤中嘌呤代谢模型，证明尿酸在根瘤内周皮层和中柱鞘细胞代谢成尿囊素和尿囊酸。

通过RNA动力学分析，研究者发现大豆根瘤中非侵染细胞由外周皮层细胞发育而来；而存在大量结瘤关键基因的内周皮层则来源于具有分生能力的中柱鞘相关原形成层细胞。另外，本研究鉴定到大量调控根瘤发育的基因，并对细胞分裂素受体GmCRE1进行了深入的功能验证。在内周皮层和维管细胞特异表达的GmCRE1同时调控大豆根和根瘤的发育，不仅影响根瘤数量，而且对后期共生固氮过程起到关键作用，基因编辑获得的Gmcre1s突变体完全丧失固氮酶活性。

综上所述，本研究在单细胞水平解析了大豆根瘤的细胞组成和根瘤发育的转录水平调控机制，拓宽了对定型根瘤发育的理解，为提高豆科作物固氮效率提供了潜在的策略。

中科院遗传发育究所博士生孙宝成、王瑜和博士后杨群为该论文第一作者，钱文峰研究员和任勃研究员为共同通讯作者。该项研究得到了中科院基础研究优秀青年团队项目和国家重点研发计划等项目的资助。

原文阅读:

Sun B, Wang Y, Yang Q, Gao H, Niu H, Li Y, Ma Q, Huan Q, Qian W, Ren B. A high-resolution transcriptomic atlas depicting nitrogen fixation and nodule development in soybean. J Integr Plant Biol. 2023 Apr 19. https:// doi: 10.1111/jipb.13495.