根瘤固氮单细胞核转录还能这么用！

期刊：Journal of Integrative Plant Biology
IF：11.4	发表时间：2023.4
发表单位：中国科学院遗传与发育生物学研究所

科学问题

       根瘤菌与豆科植物共生形成根瘤是实现共生固氮的关键，但目前对豆科植物的定型根瘤发育和生物固氮的细胞类型和分子调控机制尚不清楚。

实验设计

• 单细胞核转录组（snRNA-seq）：使用根瘤菌接种大豆幼苗，14天后取样，取样分为N组（包含根瘤和根）和R组（仅包含根）；

• 常规转录组：N组和R组；敲除细胞分裂素受体基因的突变体植株Gmcre1s和野生型（WT）植株的根和根瘤。

研究主要结果

1、大豆根瘤snRNA-seq转录图谱的构建

        从N组和R组分别获得了23,063个和19,712个细胞数据，基因表达水平与普通转录组高度相关，证明snRNA-seq 数据的可靠性和准确性。snRNA-seq转录图谱共鉴定到21个细胞簇，其中，18、19和20是根瘤特异性细胞，发现已知的根瘤基因大多数在这三个簇中中特异性表达，进一步说明这三个簇包含根瘤特异性细胞类型，表明利用snRNA-seq成功捕获了大豆根瘤特异性细胞。

图1 snRNA-seq 鉴定大豆根和根瘤中的 21 个细胞簇

2、根瘤特异细胞类型鉴定

       通过GUS染色鉴定细胞类型，将21个细胞簇完整注释为17种不同的细胞类型，其中，中柱鞘相关原形成层细胞、韧皮部相关中柱鞘、内皮质、外皮质、非侵染细胞、侵染细胞这6种类型为大豆根瘤特有。

图2 根和根瘤中21个簇的细胞类型注释

3、大豆定型根瘤代谢过程

        大豆（定型）与苜蓿（不定型）根瘤的结构、固氮产物和类杆菌特征不同。通过对大豆和苜蓿根瘤中的高表达基因进行富集，进一步探究两种根瘤类型间代谢和发育的差异，发现两种根瘤中依赖酰脲的代谢过程不同。

图3 两种根转录组比较

4、大豆根瘤特异性细胞分化轨迹重建

       利用RNA velocity的方法重构大豆根瘤分化过程，鉴定到两个新的潜在调控根瘤形成功能的基因：GmbHLH93和GmSCL1，利用毛状根过表达体系验证了其在根瘤形成过程中的功能。

图4 利用RNA velocity重建大豆结瘤发育轨迹及鉴定驱动基因

5、细胞分裂素受体基因GmCRE1在大豆结瘤固氮过程中起重要作用

       因为大豆根瘤中高表达基因主要富集到“细胞分裂素信号传导”，通过关注该通路，发现细胞分裂素受体GmCRE1a/b/ c/d在根瘤内皮层和维管细胞中高度表达。通过构建变体植株Gmcre1s，验证了GmCRE1在大豆根瘤形成中的作用。

图5 大豆结瘤固氮过程中细胞分裂素信号通路相关基因的研究

结论

        本研究利用单细胞核转录组分析了大豆固氮内在机制，鉴定到6种根瘤特异性细胞类型，确定了细胞分裂素受体 GmCRE1 在根瘤发育和固氮的重要作用，为豆科植物根瘤菌固氮机制的研究确定新的方向。