Nature Plants | 翟继先/王二涛合作揭示豆科植物根瘤共生早期信号识别单细胞动态转录图谱

近日，南方科技大学翟继先课题组与中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛课题组合作在Nature Plants上发表了题为Single-nucleus transcriptomes reveal spatiotemporal symbiotic perception and early response in Medicago的研究论文。该研究首次在单细胞水平解析了结瘤因子处理蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）根系24小时内特异细胞类型的基因表达变化，发现表皮和皮层细胞在结瘤因子处理后30分钟内发生明显的基因表达表达重编程，这些变化在6小时后逐渐恢复。研究团队从根瘤共生信号响应的单细胞转录图谱中发现MtFER与LYK3具有相似的表达模式，进一步证明MtFER被LYK3磷酸化后可能通过调控根毛发育、协调免疫和共生关键基因的表达，参与共生固氮过程。

豆科植物与根瘤菌共生，根瘤菌可以将氮气转变成植物可直接利用的含氮化合物，从而大幅减少豆科植物对氮素的需求。共生固氮的建立依赖于植物与根瘤菌的相互识别。在缺氮的情况下，豆科植物根系会向根际释放黄酮类化合物，从而诱导根瘤菌分泌结瘤因子。豆科植物根系在感受到结瘤因子信号后会引起根毛卷曲、侵染线形成和皮层细胞分裂，诱导根瘤的形态发生。豆科植物与根瘤菌共生关系的建立，需要豆科植物根系不同类型的细胞对结瘤因子信号时空特异的精确响应。为解析这一复杂信号识别和转导过程中的转录组动态变化，利用翟继先研究团队开发的FlsnRNA-seq技术，成功构建了涵盖结瘤因子处理后0.5 h、6 h和24 h的蒺藜苜蓿根部单细胞转录图谱（图1）。基于该时间序列的单细胞转录组图谱，研究团队发现在所有细胞类型中处理后0.5小时均发生了明显的基因表达重编程，在表皮细胞和皮层细胞中这种现象尤其显著。通过鉴定不同细胞类型在不同时间点的特异上调表达基因，作者进一步分析了共生信号传导早期所发生的时空特异响应事件。例如，处理后0.5小时内植物防御相关基因在几乎所有细胞类型中表达量均大幅度上升，并随后下降，表明共生过程的植物免疫反应受到精细的动态调控（图1）。

图1.利用单细胞核测序鉴定由结瘤因子所诱导的不同细胞类型的共生早期阶段的响应事件

此外，研究人员从单细胞转录图谱发现MtFER与LYK3基因对结瘤因子的响应具有相似的表达模式，位于同一个富含已知结瘤基因的共表达模块中。结合多种研究手段，进一步发现MtFER被LYK3磷酸化后可能通过协调发育、免疫和共生关键基因的表达，保证根瘤菌的正常入侵，从而参与豆科植物的共生固氮过程（图2）。

该研究建立的蒺藜苜蓿根单细胞基因图谱已整合在数据资源网站(https://zhailab.bio.sustech.edu.cn/sc_medicago)中，为后续共生固氮领域的相关研究提供了重要的数据支撑。

南方科技大学翟继先课题组在读博士生刘智剑与研究副教授龙艳萍博士，中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛课题组杨军副研究员和张弛博士为该论文共同第一作者。王二涛研究员与翟继先研究员为该论文的通讯作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛课题组王大鹏博士、张晓伟副研究员和董文涛博士，以及中国科学技术大学刘承武教授和赵蠡同学也参与部分研究。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省创新创业团队、深圳市科创委、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、深圳自然科学基金委员会等项目的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01524-8