综述：利用多组学解码共生固氮的分子机制

《aBIOTECH》：Harnessing omics to decode the mechanisms of symbiotic nitrogen fixation

这篇综述系统梳理了多组学技术在共生固氮（SNF）研究中的应用，从基因组进化、转录调控、表观修饰到蛋白质互作网络，揭示了豆科植物与根瘤菌互作的分子基础。作者强调人工智能（AI）和单细胞技术将推动SNF机制解析，为向非豆科作物转移固氮能力提供新思路。综述逻辑清晰，涵盖前沿技术（如scRNA-seq、空间转录组），是植物-微生物互作领域的权威参考。

　　

基因组组装与模型豆科植物注释

基因组是解析共生固氮（SNF）的关键蓝图。早期模型植物如百脉根（Lotus japonicus）和蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）的基因组测序揭示了LysM受体激酶（如NFR1/NFR5）在根瘤形成中的核心作用。长读长测序技术（PacBio）显著提升了基因组连续性，例如将蒺藜苜蓿的contig数量从10,160降至64，并鉴定出“共生岛”——富含根瘤特异性基因的基因组区域。大豆（Glycine max）基因组分析则发现28个结瘤素（nodulin）同源基因，为SNF研究奠定基础。

基因组视角下的结瘤植物进化

结瘤能力在固氮分支（NFC）植物中罕见，仅10/28科具备。比较基因组学支持“单次起源多次丢失”假说：NFC共同祖先约1亿年前获得结瘤潜能，后续多次丢失。例如，非结瘤物种中转录因子NIN（NODULE INCEPTION）功能丧失。豆科植物全基因组复制（WGD）事件促进了结瘤相关基因（如NLP家族）的亚功能化，推动从放线菌共生向根瘤菌共生的转变。

共生结瘤的转录组图谱

从EST微阵列到RNA-seq，技术革新揭示了结瘤的转录复杂性。百脉根根瘤中83个基因表达上调，而蒺藜苜蓿30.2%的基因在根瘤中高表达，包括532个转录因子。长读长测序发现大豆根瘤发育中7,874个差异剪接事件，表明可变剪接（AS）调控结瘤。小RNA（如miR482）和长链非编码RNA（如TAS3）通过激素信号通路参与调控。

时空转录组的精准解析

激光捕获显微切割（LCM）结合RNA-seq划分了蒺藜苜蓿根瘤的5个发育区，发现根尖分生组织关键基因SCR（SCARECROW）也调控根瘤原基形成。单细胞测序（scRNA-seq）揭示根瘤未感染细胞通过天冬酰胺合成参与氮同化。空间转录组技术则定位了百脉根根瘤外周组织与根组织的相似性，以及感染区的独特发育轨迹。

表观修饰在结瘤中的作用

DNA甲基化动态调控结瘤分化，去甲基化酶DME功能缺失导致278个差异甲基化区域（DMRs）超甲基化。染色质可及性（ATAC-seq）和组蛋白修饰（H3K27me3/H3K9ac）分析显示，多倍化驱动转录重编程。单细胞表观组发现大豆根瘤中103种细胞类型及GmNIN等转录因子的调控motif。

蛋白质组学揭示SNF机制

2D电泳和质谱鉴定出大豆根瘤中197个共生体膜蛋白，包括囊泡运输关键因子（如Rab7/VAMP72）。共生体与液泡发育共享通路，但Rab5缺失表明特异性调控。磷酸化修饰分析发现钙通道MtDMI1的根瘤特异性磷酸化位点。免疫共沉淀筛选出NFR5互作蛋白NiCK4，拓展了结瘤信号通路认知。

结论与未来方向

SNF涉及数百个核心基因和数千个候选基因的协同作用。多组学整合（如转录组-代谢组联合分析）和AI工具（如AlphaFold）将加速机制解析。单细胞多组学（代谢组/表观组）和基因编辑（CRISPR/Cas9）有望实现固氮能力向作物的转移，为可持续农业提供新策略。