尽管氮气约占大气组成成分的78%，但植物对氮的利用却十分有限，因此在农业生产中需要施用大量的氮肥以维持作物的正常生长。农业绿色革命以来，氮肥主要来自化学生产。仅2022年，中国的氮肥施用量就超过1,654万吨。大规模的化肥施用，不仅浪费资源、增加成本，也带来一系列环境问题。一些固氮微生物能够将空气中的氮气转化为氨，这一过程称之为生物固氮。研究植物共生固氮的分子机制，能够有效提高共生固氮效率，对实现减肥增效、发展绿色农业具有重要意义。

固氮微生物依据固氮菌和植物的关系，可以分为自生固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物三类。共生固氮微生物可以在植物器官（如根瘤）中利用宿主的光合产物作为能量来源，固定氮以支持宿主的生长。目前对植物共生固氮的研究，主要关注根瘤等固氮器官与微生物之间的信号传导和物质交换。使用单细胞和时空组学技术，能够更加细致地解析共生固氮机制。

植物根瘤可分为不定型根瘤（如紫花苜蓿和豌豆的根瘤）和定型根瘤（如大豆和百脉根的根瘤）两类。其中不定型根瘤的顶端分生组织能够发育成结构复杂的圆柱形区域，该区域内部中心被细分为五个不同的功能区域，包括分生区、感染区、中间区、固定区和衰老区，每个区域的细胞功能各不相同。使用单细胞测序技术，可以从单细胞层面，原位解析根瘤内的高度异质性组织，阐释植物与固氮菌之间的共生机制，确定参与共生的关键基因和通路，包括信号传导，养分运输等。

值得一提的是，华大推出的单细胞平台，以其高效能、高通量的特性，能够轻松获取植物组织中海量细胞的表达谱数据，为科学家们提供了一个强大工具，助力研究人员更深入地挖掘细胞亚群的特性与功能。

植物根瘤是一个高度异质性的组织，借助空间转录组测序技术可以了解根瘤细胞的空间分布，鉴定根瘤成熟过程中的重要细胞亚群。进一步地，研究人员可以解析宿主与根瘤菌共生关系建立过程中的信号传导和物质交换机制，并探索共生机制的跨物种应用。

植物单细胞数据分析过程中的一个难点在于，用于注释不同组织/细胞类型的标记基因通常很少，细致的注释较为困难。空间转录组测序技术能够原位检测基因的表达水平，因此研究人员可以借助形态学和解剖学观察结果辅助注释。例如，在植物根瘤的空间转录组学分析过程中，研究人员可以借助根瘤的贴片染色结果，预先完成分生区、感染区等分区划分，之后结合表达数据完成细致注释。

华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq具备高精度的空间解析能力，能够精确捕获固氮器官中各类细胞类型及其结构的空间信息。研究人员可以利用Stereo-seq更深入地理解固氮器官和固氮菌之间的复杂性和动态性，为固氮机制的解析和未来的跨物种应用提供科学依据。

单细胞和空间转录组学技术已经在植物生长发育、愈伤再生、逆境胁迫以及共生固氮等领域得到广泛的应用。这些技术能够实现在单细胞水平上研究植物组织的转录模式，解析特点发育时期或特定组织的细胞组。

华大时空组学技术Stereo-seq是研究高分辨率空间多组学数据的前沿技术。基于Stereo-seq开发的时空转录组FFPE产品方案可提供单细胞分辨率的Total RNA空间信息。该方案利用“随机探针”对FFPE样本中组织细胞内的Total RNA分子进行原位捕获，并通过空间条形码（Coordinate ID，CID）还原回空间位置，实现全物种、全转录组空间表达图谱的构建。时空转录组FFPE以其独特的随机探针技术和卓越的性能，不仅能捕获宿主RNA，还能捕获微生物RNA，揭示微生物与宿主之间的互作关系，为深入探索宿主与微生物的相互机制提供了强大工具。