植物生物技术杂志:分析了豆科植物根瘤固氮的调节网络

来源：华中农业大学2022-01-24 08:30

华中农业大学生命科学与技术学院/农业微生物学国家重点实验室微生物光合作用与生物固氮团队端木德强教授课题组在国际学术期刊《植物生物技术杂志》上在线发表了题为《单细胞型转录体ome谱营收基因促进固氮》的论文

华中农业大学生命科学与技术学院/微生物学国家重点实验室微生物光合作用与生物固氮团队端木德强教授在国际学术期刊《植物生物技术杂志》上在线发表了题为《单细胞类型转录本图谱盈利促进硝基的基因》的论文《豆科植物根瘤感染细胞和未感染细胞中的gen固着》，通过单细胞测序方法鉴定了豆科植物固氮根瘤中感染细胞和未感染细胞的差异表达基因网络，拓宽了对固氮根瘤中信号转导、转录调控、代谢途径和转运途径的认识。

氮肥的施用对提高作物产量非常重要。但是氮肥的过量使用造成能源消耗和严重的环境污染，因此生物固氮的研究和利用显得尤为重要。生物固氮分为共生固氮、自生固氮和联合固氮。豆科植物和根瘤菌形成的共生固氮体系是最有效的生物固氮方式。植物光合作用的产物被用作根瘤利用的碳源，根瘤固定的氮被运输到地上组织(图1)。在模式豆科植物如莲藕、大豆和苜蓿中，研究人员广泛研究了根瘤固氮的机理。在过去的二十年里，大多数研究都集中在结核共生的早期阶段。然而，关于调节成熟结节固氮的分子机制知之甚少。本研究以莲藕为研究对象。通过从成熟结节中分离感染细胞(IC)和非感染细胞(UC)并进行单细胞测序分析，挖掘调控结节高效固氮的关键基因，并分析其中涉及的细胞调控过程。

本研究首先通过显微操作获得了莲藕成熟根瘤中的两种细胞成分：红棕色感染细胞和透明非感染细胞(每种类型50~100个细胞)；通过微RNA提取、Smart-Seq2数据库构建和测序，最终鉴定出939个差异表达基因，其中本研究新鉴定出925个基因，包括55个转录因子和73个转运蛋白(图2)。已报道的与共生固氮相关的基因，如豆类血红蛋白基因(LjLbs)和硫酸盐转运蛋白基因(LjSST1)在感染细胞中高水平表达。相反，氨转运蛋白(LjAMT1.1)和ERF转录因子(LjERF1)仅在未感染细胞中表达。这项研究发现，六个蔗糖合成酶基因中的两个和七个转化酶基因中的一个在未感染细胞中具有高表达水平。这些结果支持了蔗糖被运输到未感染细胞并分解成二羧酸盐的模型。谷氨酰胺合成酶和天冬酰胺合成酶是氨同化为谷氨酰胺和天冬酰胺的两种关键酶。该研究发现，编码GS的五个基因中有两个在结节的感染细胞和非感染细胞中高度表达。氨转运蛋白(LjAMT1.1)在未感染细胞中的特异性表达表明，未感染细胞可能有助于氨的同化。此外，6个AS基因中有2个在非感染细胞中的表达显著高于感染细胞，表明谷氨酰胺可能在感染细胞和非感染细胞中都得到有效合成。

结节中的豆血红蛋白通过其辅因子血红素与氧气结合解离，从而实现对结节内微氧环境的精细控制。血红素通过四吡咯途径在质体中合成，其中谷氨酰-tRNA还原酶(GluTR)催化血红素生物合成的限速步骤。莲藕基因组编码三个GluTR基因，转录组结果显示LjGluTR2仅在感染细胞中表达。启动子-GUS融合分析表明，LjGluTR2在感染细胞中的表达显著增强。FLU蛋白(蓝光荧光)通过抑制GluTR活性的负反馈调节四吡咯途径。流感基因被感染细胞中表达的LjLb2启动子过度表达。与对照植物相比，过量表达流感病毒的植物茎的鲜重降低，红色结节减少，形成更多的白色结节，结节中的血红素水平降低。这些结果表明，血红素生物合成的翻译后调节对于成熟结节的高效固氮非常重要(图3)。

综上所述，本研究系统地鉴定了固氮结节中感染细胞和非感染细胞的差异表达基因。该研究首次鉴定了这些基因的大部分，为进一步研究根瘤内信号转导、转录调控、代谢途径和代谢产物转运的分子机制，实现共生固氮的协同调控奠定了基础。

博士后王龙龙和博士生周宇被列为本文的第一作者。华中农业大学生命科学与技术学院、农业微生物学国家重点实验室端木德强教授为通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中央高校基础科学研究专项基金、中科院博士后项目的资助。(100yiyao.com)

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