合成氮肥作為保障全球糧食安全的基石，其生產(chǎn)量隨著人口膨脹而持續(xù)增長。然而，這一進程伴隨著高昂的能源消耗與不容忽視的環(huán)境問題。鑒于此，尋求綠色、高效的氮肥替代方案已成為推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的緊迫任務(wù)。其中，改造利用豆科植物的共生結(jié)瘤固氮能力具有巨大的開發(fā)潛力。

早在19世紀(jì)末，科學(xué)家便發(fā)現(xiàn)了豆科植物根瘤固氮的現(xiàn)象。進入現(xiàn)代分子生物學(xué)時代，隨著多種豆科植物的基因組和轉(zhuǎn)錄組被解析，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)根瘤內(nèi)活躍著數(shù)以千計的基因。這些基因不僅覆蓋了廣泛的生物學(xué)功能，還遵循著特定的時空表達模式，確保了根瘤正常行使功能。因此，深入揭示這些基因背后的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，是改造和利用共生結(jié)瘤固氮能力的關(guān)鍵所在。

近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室深圳分中心，以下簡稱“基因組所”）聯(lián)合華大基因，在《自然·通訊（Nature Communications）》上在線發(fā)表了題為“Mapping the molecular landscape of Lotus japonicus nodule organogenesis through spatiotemporal transcriptomics”的研究論文，繪制了模式豆科植物百脈根 (L. japonicus) 根瘤發(fā)育的時空轉(zhuǎn)錄圖譜，揭示了根瘤發(fā)育背后的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

首先，研究人員基于已有研究進行了形態(tài)學(xué)觀察，確定了百脈根根瘤發(fā)育的關(guān)鍵時期。隨后，利用華大基因開發(fā)的Stereo-seq空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，對不同發(fā)育階段的根瘤樣品進行了空間轉(zhuǎn)錄組檢測。通過質(zhì)量控制流程，研究人員獲得了72份高質(zhì)量樣品數(shù)據(jù)，并進行了無監(jiān)督聚類分析，成功解析和注釋了根瘤在各個發(fā)育階段的主要組織區(qū)域類型 (圖1)。

圖1 百脈根根瘤空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)聚類分析結(jié)果

其中，研究人員重點關(guān)注了根瘤中最為重要的侵染區(qū)，即共生關(guān)系建立的組織區(qū)域。通過繪制侵染區(qū)的分子發(fā)育軌跡，發(fā)現(xiàn)侵染區(qū)從預(yù)侵染 (pre-infection) 到功能成熟主要包括五個發(fā)育階段 (圖2a)。進一步通過差異表達基因共調(diào)控模塊分析，獲得了各發(fā)育階段的功能基因集 (圖2b)，并依靠其中已研究基因的信息對這五個主要發(fā)育階段所對應(yīng)的生物學(xué)過程進行了注釋 (圖2c)，從分子層面解析了侵染區(qū)的發(fā)育進程。

圖2 根瘤侵染區(qū)的發(fā)育軌跡和功能基因

借助這樣精細的解析，研究人員發(fā)現(xiàn)了共生固氮關(guān)鍵基因家族——NLP (NIN-LIKE PROTEIN) 中成員LjNLP3的新功能。先前研究表明，在苜蓿中，LjNLP3的直系同源基因MtNLP2在根瘤成熟階段扮演著重要的調(diào)控角色。本研究中，根據(jù)LjNLP3所展現(xiàn)的時空表達模式 (圖2d)，研究人員推測該基因可能在根瘤由早期發(fā)育階段轉(zhuǎn)向成熟發(fā)育階段中也起作用，并通過表型實驗確認過表達LjNLP3會促使根瘤提前進入成熟發(fā)育階段 (圖2e)，證實了這一推測，加深了我們對NLP家族在共生結(jié)瘤固氮中所起作用的認識。

同時，該研究還進行了空間共表達模塊分析，旨在從全局視角解析根瘤發(fā)育的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò) (圖3a)，補充揭示上述發(fā)育軌跡分析遺漏的潛在功能基因。其中，研究人員發(fā)現(xiàn)模塊S3的基因主要在根瘤早期皮層中表達 (圖3b)，包含了多個已報道的與結(jié)瘤相關(guān)的類黃酮代謝酶基因 (圖3a)，這些基因在低氮條件下表達，促進植物產(chǎn)生類黃酮吸引根瘤菌共生，對根瘤發(fā)生至關(guān)重要。然而，調(diào)控這些基因表達的轉(zhuǎn)錄因子并不明確。因此，研究人員分析了該模塊的轉(zhuǎn)錄因子，并鑒定到數(shù)個WRKY家族基因 (圖3c)。鑒于WRKY類轉(zhuǎn)錄因子已被報道參與調(diào)控多種植物類黃酮代謝途徑，這些WRKYs很可能是結(jié)瘤過程中調(diào)控類黃酮代謝的基因。

圖3 空間共表達模塊分析揭示參與根瘤發(fā)育的基因

該研究不僅為根瘤發(fā)育研究提供了全面的數(shù)據(jù)集和深入的分子機制解析，還為未來的農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。

基因組所黃三文團隊博士后葉柯邑為論文第一作者兼通訊作者，鄭建樹副研究員和華大基因劉歡研究員為論文共同通訊作者。基因組所博士后卜鳳嬌、華大基因博士后鐘荔媛、基因組所研究生董兆年和馬召旭為論文共同第一作者。黃三文院士對該工作給予了重要指導(dǎo)，科研助理唐展鵬、加州大學(xué)戴維斯分校William J. Lucas教授、華大生命科學(xué)研究院徐訊研究員、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究員、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所楊學(xué)勇研究員和中山大學(xué)張雨教授參與了此工作。該研究得到了國家重點研發(fā)項目 (2019YFA0906200)、深圳市杰出人才項目、深圳市大鵬新區(qū)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金 (RC201901-05) 和國家自然科學(xué)基金 (32070250) 的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50737-8