山东农业大学破解大豆结瘤关键通路

近日，山东农业大学农学院张大健教授团队在国际著名学术期刊《先进科学》（Advanced Science）在线发表了题为“Single-cell transcriptome profiling reveals gene regulatory networks and key genes in the root epidermis and cortical cells associated with early nodulation in Glycine max”的重要研究成果。该研究通过单细胞转录组测序技术，首次构建了大豆根系与根瘤菌互作初期的单细胞转录组图谱，系统鉴定了参与早期结瘤过程的细胞类型特异性基因，并揭示了由乙烯信号调控的分子遗传通路，对豆科作物的遗传改良和可持续农业发展具有重要的理论意义和应用价值。

共生固氮是豆科作物区别于多数作物的重要生物学过程。大豆根瘤中的根瘤菌能够将空气中的氮气转化为植物可利用的铵态氮，为大豆生长和籽粒形成提供重要氮源。提高大豆共生固氮能力，不仅有助于减少化学氮肥投入、降低农业生产成本，也对绿色低碳农业和可持续作物改良具有重要意义。然而，大豆结瘤早期的转录调控及其分子机制仍有待系统解析。

围绕这一科学问题，研究团队利用单细胞核RNA测序技术，对接种根瘤菌的大豆根系及对照处理进行了转录组分析，共获得21,500个单细胞核转录组数据，鉴定出12个主要细胞类群。进一步筛选出58个细胞类型特异性差异表达的转录因子、构建了调控网络，并锁定了一个由乙烯信号激活的GmWRKY6.3/6.4转录因子及其下游靶基因GmNod19-19/23组成的遗传调控模块。

团队研究发现，GmWRKY6.3与GmWRKY6.4之间存在物理互作且二者均能够结合在GmNod19-19和GmNod19-23启动子上，并激活GmNod19-19的转录。在大豆中分别沉默GmWRKY6.3/6.4或GmNod19-19/23均导致根瘤数量显著减少，且侵染线形成受到明显抑制，表明该通路在早期感染阶段发挥关键作用。乙烯前体ACC合酶基因GmACS1和GmACS2能够正向调控根瘤形成，同时调控GmWRKY6.3/6.4和GmNod19-19/23的表达水平。以上结果表明，乙烯通过GmACS1/GmACS2–GmWRKY6.3/6.4–GmNod19-19/23这一完整的遗传级联通路，在早期感染阶段发挥促进结瘤作用。

期刊评审专家认为，该研究绘制了大豆根系与根瘤菌早期互作的单细胞转录组图谱，系统鉴定了大豆早期结瘤过程中的关键基因与调控通路，为大豆固氮遗传改良提供了关键靶点，具有重要的应用价值。

张大健教授表示，团队将深入探索大豆高产优质重要农艺性状的分子基础和调控机制，助力大豆精准分子设计育种水平，提高大豆产能，为保障国家粮食安全提供更多科技助力。

本研究山东农业大学为唯一通讯单位，农学院张大健教授、李晓明副教授、植物保护学院侯欣副教授为该论文的共同通讯作者，农学院庄永斌副教授、中国科学院东北地理与农业生态研究所耿雨博士、农学院博士生郭欣宇为论文的共同第一作者。本研究得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金及山东省大豆产业技术体系的资助。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.76550

期刊简介：

Advanced Science是Wiley出版集团旗下的综合性高水平开放获取期刊，创刊于2014年，涵盖材料科学、物理学、化学、医学、生命科学、工程学等多个前沿交叉学科领域。期刊影响因子IF=14.1（2026 JCR），5年影响因子15.6，为一区Top期刊，致力于发表具有重大创新性和广泛影响力的原创研究成果。

（山东农业大学）

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