豆科植物之所以能在农业中发挥重要作用，部分归功于它们与根瘤菌共生形成根瘤，进而获取固氮的能力。如果能够将这种能力转移到更多作物上，便能显著降低农业生产对环境造成的压力，并减少相关成本。然而，根瘤的形成是一个复杂的生物学过程，涉及到众多分子层面的精细调控。为此，需要通过构建一个全面的转录组图谱来揭示根瘤发育过程中的分子机制。
近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所联合华大生命科学研究院等机构，基于华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，研究了模型豆科植物日本百脉根（Lotus japonicus）的结节发育。该研究确定了结节内两个关键区域的发育轨迹，揭示了结瘤的潜在生物过程，并提供了实现共生和物质交换的基因集，提高了对结瘤器官发生的认识，并为开发共生固氮作物提供了有价值的数据。相关研究成果在Nature Communications上发表。
文章题目：Mapping the molecular landscape of Lotus japonicus nodule organogenesis through spatiotemporal transcriptomics
发表时间：2024-07-29
发表期刊：Nature Communications
主要研究团队：中国农业科学院深圳农业基因组研究所、华大生命科学研究院等
影响因子：14.700
DOI：10.1038/s41467-024-50737-8
共生固氮（Symbiotic nitrogen fixation，SNF）是豆科植物寄主根瘤菌克服氮素缺乏的复杂生物过程。根瘤菌能够将大气中的氮转化为豆科植物可以利用的氨，以换取豆科植物提供的碳水化合物。为了达到这一目的，形成了一种特殊的植物器官，称为根瘤。了解根瘤器官发生的机制一直是科学家们寻求转化更多具有固氮根瘤的作物的长期目标。
根瘤的器官发生过程极为复杂，因此迫切需要一个全面的转录组图谱来详细揭示其背后的生物学过程和参与其中的功能基因。然而，由于根瘤是在地下形成，这使得在其整个发育周期内进行取样以进行大规模转录组学分析面临挑战。特别是对于不定根瘤，它们拥有持续分裂的分生组织，在成熟时能够发育成所有类型的组织。这种特性增加了研究的复杂度，但也为理解根瘤如何协调其内部不同组织类型的发育提供了重要线索。如今，空间转录组学技术的快速发展为研究这一问题提供了契机。
空间转录组学技术通过整合基因表达数据与其在组织中的具体位置，为研究提供了一种直观且精确的工具。这种方法在植物学研究中尤为有效，因为它克服了传统方法难以区分多种组织类型的局限。此外，它还能实现对单个样本的直接可视化，有效解决了不定根瘤等难以采样的植物结构的研究挑战。
华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，凭借“高分辨、大视场、多组学、全物种”的技术优势，在当前空间转录组技术中脱颖而出，并在拟南芥、番茄、洋葱、水稻等植物研究中展现了巨大应用潜力。点击查看详细案例合集>>>超广角百亿像素“生命照相机”带你解锁植物奥秘
在该研究中，研究人员利用Stereo-seq对日本百脉根确定型结节的分子发育过程进行了研究。研究描述了感染区和外周组织的发育轨迹，这两个关键区域负责共生和物质交换，这是SNF的焦点方面。值得注意的是，几个关键的调控基因表明，尽管日本百脉根和蒺藜苜蓿的根瘤类型不同，但它们具有相似的发育轨迹，这为豆科植物的单系性提供了坚实的证据，这是开发新型固氮作物的重要理论。
此外，在众多的候选调节基因中，研究人员特别指出了一个名为LjNLP3的转录因子，它属于NIN样蛋白家族。研究发现，LjNLP3在结瘤从分化阶段向成熟阶段转变的过程中起到了关键的协调作用。综上，该研究不仅为研究结节器官发生提供了一个全面的数据集，同时也为理解结瘤提供了有价值的见解，并为未来的农业应用提供了重要信息。
