中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王二濤研究組與南方科技大學翟繼先研究組合作，在《自然-植物》（Nature Plants）上，發(fā)表了題為Single-nucleus transcriptomes reveal spatiotemporal symbiotic perception and early response in Medicago的研究論文。該研究首次在單細胞水平解析了結瘤因子處理蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）根系24小時內特異細胞類型的基因表達變化，發(fā)現(xiàn)了表皮和皮層細胞在結瘤因子處理后30分鐘內發(fā)生明顯的基因表達重編程（這些變化在6小時后逐漸恢復）。該研究在根瘤共生信號響應的單細胞轉錄圖譜中發(fā)現(xiàn)MtFER與MtLYK3具有相似的表達模式，進一步證明MtFER被MtLYK3磷酸化后可能通過調控根毛發(fā)育、協(xié)調免疫和共生關鍵基因的表達，參與共生固氮過程。
豆科植物與根瘤菌共生，根瘤菌可以將氮氣轉變成植物可直接利用的含氮化合物，從而大幅減少豆科植物對氮素的需求。共生固氮的建立，依賴于植物與根瘤菌的相互識別。在缺氮的情況下，豆科植物根系會向根際釋放黃酮類化合物，從而誘導根瘤菌分泌結瘤因子。豆科植物根系在感受到結瘤因子信號后會引起根毛卷曲、侵染線形成和皮層細胞分裂，誘導根瘤的形態(tài)發(fā)生。豆科植物與根瘤菌共生關系的建立，需要豆科植物根系不同類型的細胞對結瘤因子信號時空特異的精確響應。該團隊為解析這一復雜信號識別和轉導過程中的轉錄組動態(tài)變化，利用翟繼先團隊開發(fā)的FlsnRNA-seq技術，構建了涵蓋結瘤因子處理后0.5 h、6 h和24 h的蒺藜苜蓿根部單細胞轉錄圖譜（圖1）。研究基于該時間序列的單細胞轉錄組圖譜發(fā)現(xiàn)，在所有細胞類型中處理后0.5小時均發(fā)生了明顯的基因表達重編程，且在表皮細胞和皮層細胞中這種現(xiàn)象尤其顯著。通過鑒定不同細胞類型在不同時間點的特異上調表達基因，研究進一步分析了共生信號傳導早期所發(fā)生的時空特異響應事件。例如，處理后0.5小時內植物防御相關基因在幾乎所有細胞類型中表達量均大幅度上升并隨后下降，表明共生過程的植物免疫反應受到精細的動態(tài)調控。研究在單細胞轉錄圖譜中發(fā)現(xiàn)MtFER與MtLYK3基因對結瘤因子的響應具有相似的表達模式，位于同一個富含已知結瘤基因的共表達模塊中。結合多種研究手段，研究進一步發(fā)現(xiàn)MtFER被MtLYK3磷酸化后可能通過協(xié)調發(fā)育、免疫和共生關鍵基因的表達，保證根瘤菌的正常入侵，從而參與豆科植物的共生固氮過程（如圖）。
《自然-植物》同期配發(fā)了題為FER meets the Nod factor pathway的評論文章，介紹了上述成果，并展望了下一步研究方向。
該研究建立的蒺藜苜蓿根單細胞基因圖譜，整合在數(shù)據(jù)資源網站(https://zhailab.bio.sustech.edu.cn/sc_medicago)，供相關研究人員使用，為后續(xù)共生固氮領域的相關研究提供重要的數(shù)據(jù)支撐。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊項目、深圳市科技創(chuàng)新委員會、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃、深圳市自然科學基金等的支持。中國科學技術大學科研人員參與部分研究。
利用單細胞核測序發(fā)現(xiàn)MtFER參與調控根和根瘤的發(fā)
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