科學家繪制根瘤單細胞圖譜，發現共生固氮新機制

生物固氮是農業可持續發展的重要方向之一，其中，豆科植物與根瘤菌共生固氮是全球生物固氮總量貢獻最大的模式。根瘤是豆科植物與根瘤菌共生固氮的場所，在這一特殊器官中發生著復雜的物質、能量、信息交流與轉化。根瘤可分為定型根瘤（如大豆、百脈根等）和不定型根瘤（如苜蓿、豌豆等），其中不定型根瘤呈現為棒狀，具有持續分化的頂端分生組織，空間上從遠端到近端可分為不同區域，細胞類型更加復雜；然而，不定型根瘤目前尚無系統性的細胞類型分析，不同細胞類型之間的交互和關聯也尚不清楚。

近日，中國農業大學教授王濤、董江麗團隊在《分子植物》(Molecular Plant)上在線發表了研究論文。該團隊攻克了分離根瘤單細胞的技術難關，報道了以截形苜蓿為代表的不定型根瘤單細胞轉錄組圖譜，揭示了成熟的不定型根瘤中不同轉錄表達模式的細胞類群，以及共生細胞類型和非共生細胞類型的分化軌跡和生物學功能，發現了共生固氮新機制：固氮細胞將氮同化為谷氨酰胺，非固氮細胞將谷氨酰胺轉化為天冬酰胺供植物生長；而之前的教科書認為這兩個代謝途徑都是在固氮細胞完成的。

研究人員首先優化了根瘤原生質體裂解和純化的實驗方案，以截形苜蓿14 dpi的根瘤為樣本，共收集獲得超過18000個根瘤細胞用于后續單細胞轉錄組測序和分析。經過數據過濾，共獲得9756個根瘤細胞22228個基因的表達數據。在無監督分析條件下，根瘤細胞被分為13個細胞類群，包括2類頂端分生細胞，侵染前細胞，侵染細胞，2類固氮細胞，根瘤薄壁細胞，2類非侵染細胞，維管相關細胞，2類未知功能細胞，以及混合無定義細胞。

進一步研究表明，分生細胞主要位于根瘤頂端分生區，共生類型細胞中侵染前細胞和侵染細胞主要位于侵染區，固氮細胞NF1主要位于中間區和固氮區，而固氮細胞NF2主要位于固氮區；非共生細胞類型中薄壁細胞主要位于根瘤中央區外周尤其是頂端區域，非侵染細胞主要鑲嵌在根瘤中央區共生細胞類型之間，維管相關細胞主要位于外周呈束狀環抱根瘤中央區。

分析發現，共生類型細胞和非共生類型細胞分別從兩類頂端分生細胞出發沿不同的軌跡分化。對黃酮類物質合成途徑關鍵基因、氨基酸合成及轉運途徑關鍵基因的表達模式進行分析，發現根瘤細胞高度異質，不同細胞類群可能承擔著不同的生物學功能。尤其是氨基酸合成途徑，氮同化產物谷氨酰胺主要在固氮細胞NF2中合成，而植物利用氮素主要以天冬酰胺形式儲存和轉運，天冬酰胺則主要在非侵染細胞UiC2中合成。因此，非侵染細胞分擔了根瘤氮同化生產線中的重要一環。

該研究通過單細胞轉錄組測序揭示了不定型根瘤的細胞異質性，測序原始數據已提交至國家基因組科學數據中心NGDC（BioProject: PRJCA012129），并通過網站（www.medicagowang.com/scrna/）將分析結果可視化，為解析豆科植物共生固氮的分子機制提供了重要的數據資源。

該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金資助。