根瘤是一個復(fù)雜的共生固氮工廠，其中的細胞是高度異質(zhì)性的。然而，根瘤細胞的分化和相互聯(lián)系在很大程度上仍然是未知的。

2022年10月28日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Molecular Plant發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)王濤/董江麗團隊的最新相關(guān)研究成果，揭示了揭示共生固氮根瘤的單細胞轉(zhuǎn)錄組。

近日，法國圖盧茲大學(xué)Delphine Capela團隊在國際著名期刊Nature Plants發(fā)表了題為“Comparative phylotranscriptomics reveals ancestral and derived root nodule symbiosis programmes”的文章。

該研究利用比較和系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄組學(xué)來闡明RNS的起源和進化，比較了9種寄主植物的共生轉(zhuǎn)錄組反應(yīng)，重建了由已知的共生基因和數(shù)百個新候選基因組成的原始RNS轉(zhuǎn)錄組，認為RNS的起源很可能是在9000萬年前NFN進化支受到輻射之前演化出來的，并重建了RNS植物共生程序的進化過程。

首先，該研究使用9個物種組成簡化系統(tǒng)發(fā)育，在樹的頂端繪制了每個包含DEG的正構(gòu)群(以下簡稱DEOG，為差異表達正構(gòu)群)的存在/缺失情況，確定哪個進化節(jié)點的基因已被RNS吸收，利用固定速率、連續(xù)時間及馬爾可夫模型來重建離散特征的祖先狀態(tài)。利用這種方法，確定了在共生過程中基因在哪個系統(tǒng)發(fā)育節(jié)點上發(fā)生了差異調(diào)控。其中三個基因(LjNFR5/MtNFP、NIN和RPG)的系統(tǒng)發(fā)育分布被認為與NFN進化支中形成RNS的能力有關(guān)。事實上，這三個基因已經(jīng)在多個譜系中獨立丟失，不再能夠形成RNS。RNS僅在兩個譜系中進化穩(wěn)定，蝶目亞科和蝶目含蟲亞科。

NFN物種間RNS轉(zhuǎn)錄組反應(yīng)的保存

通過對模型物種RNS的遺傳解剖表明，RNS的進化依賴于調(diào)節(jié)更古老的AMS和側(cè)根發(fā)育基因的共擇。為了確定這兩個程序?qū)υ糝NS轉(zhuǎn)錄組反應(yīng)的貢獻，研究交叉引用了模型豆科植物截尾苜蓿(Medicago truncatula)側(cè)根發(fā)育和AMS差異調(diào)控基因(Lotus japonicus和M. truncatula)與推斷的祖先轉(zhuǎn)錄組的RNA-seq數(shù)據(jù)。結(jié)果表明RNS的進化主要是通過將較老的側(cè)根和AMS的共同選擇結(jié)合而進行的。

祖先RNS、AMS和側(cè)根轉(zhuǎn)錄組中共有的和特異的差異表達

為了定義與每個過程相關(guān)的轉(zhuǎn)錄模塊及其進化起源，該研究利用了一組細菌突變體誘導(dǎo)了完整的共生程序。結(jié)果表明hrcV(編碼三型分泌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)蛋白的基因)中停止突變賦予了細菌結(jié)瘤的能力，但結(jié)瘤僅被細胞外侵入(圖3a)。相比之下，hrpG(一種編碼包括三型分泌系統(tǒng)基因在內(nèi)的數(shù)百個基因的整體調(diào)控因子)的停止突變使細菌能夠形成結(jié)節(jié)，并通過共生體的形成侵入細胞內(nèi)，共生體在結(jié)節(jié)細胞的細胞質(zhì)中釋放。然而，hrpG突變體在共生體釋放后迅速退化(圖3a)。該研究在非共生的原始GMI1000+pRalta菌株中重構(gòu)了適應(yīng)性突變hrcV、hrpG和hrpG- efpr，生成了一組具有更高共生能力的近等基因菌株(圖a)。研究也表明共生質(zhì)粒的增益本身就足以激活整個共生反應(yīng)的19%/10%(上升/下降)(圖b)。

RNS進化實驗過程中招募的基因

該研究使用Fisher精確檢驗來比較整個共生轉(zhuǎn)錄組反應(yīng)和每個性狀節(jié)點，結(jié)果表明，很多對根瘤形成和維持至關(guān)重要的轉(zhuǎn)錄因子在推斷的“器官發(fā)生和感染”的祖先轉(zhuǎn)錄組特征中被發(fā)現(xiàn)。在現(xiàn)有的RNS形成物種中，控制對“Nod因子”、結(jié)核“感染和器官發(fā)生”和“氮固定”反應(yīng)的核心機制可能從它們的最新共同祖先開始就被保存下來。

共生進化階段的反應(yīng)

最后，該研究以特異性的方式分析了pudica和truncatula中與“共生體釋放”和“FIId”相關(guān)的上調(diào)基因的性質(zhì)。結(jié)果表明進化穩(wěn)定性是通過共生體釋放的趨同進化和細菌共生體控制的增強而獲得的，這種控制是通過擴展抗菌肽基因家族獲得的。共生體的趨同釋放至少由兩個獨立但類似的分子過程進化而來:已經(jīng)在dalbergioid和IRLC中提出的結(jié)節(jié)誘導(dǎo)的小蛋白的進化。

物種特異性DEOGs信號肽蛋白的特征與截斷分枝線蟲和pudica分枝線蟲的共生體釋放的相關(guān)性

在祖先RNS轉(zhuǎn)錄組特征被定義后，未來的研究不得不解釋RNS狀態(tài)是如何從非RNS狀態(tài)進化而來的。考慮到其與所有細胞內(nèi)植物共生體的系統(tǒng)發(fā)育聯(lián)系，以及從不同的rns形成的物種中獲得的反向遺傳數(shù)據(jù)，可以預(yù)測共同共生途徑在這一過程中的作用。

原文參考：

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01441-w