Nature Plants：固氮根瘤共生(RNS)的起源和進化新的思考方向

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

2022年10月28日，國際權威學術期刊Molecular Plant發表了中國農業大學王濤/董江麗團隊的最新相關研究成果，揭示了揭示共生固氮根瘤的單細胞轉錄組。

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

該研究利用比較和系統轉錄組學來闡明RNS的起源和進化，比較了9種寄主植物的共生轉錄組反應，重建了由已知的共生基因和數百個新候選基因組成的原始RNS轉錄組，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發育，在樹的頂端繪制了每個包含DEG的正構群(以下簡稱DEOG，為差異表達正構群)的存在/缺失情況，確定哪個進化節點的基因已被RNS吸收，利用固定速率、連續時間及馬爾可夫模型來重建離散特征的祖先狀態。利用這種方法，確定了在共生過程中基因在哪個系統發育節點上發生了差異調控。其中三個基因(LjNFR5/MtNFP、NIN和RPG)的系統發育分布被認為與NFN進化支中形成RNS的能力有關。事實上，這三個基因已經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定，蝶目亞科和蝶目含蟲亞科。

NFN物種間RNS轉錄組反應的保存

通過對模型物種RNS的遺傳解剖表明，RNS的進化依賴于調節更古老的AMS和側根發育基因的共擇。為了確定這兩個程序對原始RNS轉錄組反應的貢獻，研究交叉引用了模型豆科植物截尾苜蓿(Medicago truncatula)側根發育和AMS差異調控基因(Lotus japonicus和M. truncatula)與推斷的祖先轉錄組的RNA-seq數據。結果表明RNS的進化主要是通過將較老的側根和AMS的共同選擇結合而進行的。

祖先RNS、AMS和側根轉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的轉錄模塊及其進化起源，該研究利用了一組細菌突變體誘導了完整的共生程序。結果表明hrcV(編碼三型分泌系統結構蛋白的基因)中停止突變賦予了細菌結瘤的能力，但結瘤僅被細胞外侵入(圖3a)。相比之下，hrpG(一種編碼包括三型分泌系統基因在內的數百個基因的整體調控因子)的停止突變使細菌能夠形成結節，并通過共生體的形成侵入細胞內，共生體在結節細胞的細胞質中釋放。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菌株中重構了適應性突變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)。研究也表明共生質粒的增益本身就足以激活整個共生反應的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錄組反應和每個性狀節點，結果表明，很多對根瘤形成和維持至關重要的轉錄因子在推斷的“器官發生和感染”的祖先轉錄組特征中被發現。在現有的RNS形成物種中，控制對“Nod因子”、結核“感染和器官發生”和“氮固定”反應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

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”相關的上調基因的性質。結果表明進化穩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:已經在dalbergioid和IRLC中提出的結節誘導的小蛋白的進化。

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性

在祖先RNS轉錄組特征被定義后，未來的研究不得不解釋RNS狀態是如何從非RNS狀態進化而來的?？紤]到其與所有細胞內植物共生體的系統發育聯系，以及從不同的rns形成的物種中獲得的反向遺傳數據，可以預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