在全球農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型背景下，如何減少化學(xué)氮肥依賴(lài)、提升作物氮素獲取效率，已成為作物遺傳改良領(lǐng)域的重要方向。豆科植物與根瘤菌形成的共生固氮體系，是自然界最高效的生物固氮模式之一，圍繞這一體系的形成機(jī)制、細(xì)胞調(diào)控過(guò)程及演化基礎(chǔ)，長(zhǎng)期以來(lái)一直是生命科學(xué)研究的重要課題。

然而，根瘤的形成并非均一化進(jìn)程，而是由多種細(xì)胞類(lèi)型在時(shí)空維度上精密協(xié)同完成的發(fā)育事件。傳統(tǒng)群體水平測(cè)序技術(shù)雖然推動(dòng)了人們對(duì)共生固氮機(jī)制的認(rèn)識(shí)，但由于其獲得的是組織平均信號(hào)，難以分辨不同細(xì)胞類(lèi)型之間的功能差異與動(dòng)態(tài)變化，因此也在一定程度上限制了對(duì)根瘤發(fā)育、細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變及固氮建立過(guò)程的深入解析。

近日，崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室王海峰教授受邀在生物學(xué)權(quán)威期刊Genome Biology發(fā)表題為Advances in single-cell and spatial omics for studying symbiotic nitrogen fixation: comparative cellular and evolutionary perspectives的前瞻性綜述。該文系統(tǒng)總結(jié)了單細(xì)胞組學(xué)和空間組學(xué)技術(shù)在模式豆科植物共生固氮研究中的進(jìn)展，并提出基于單細(xì)胞比較轉(zhuǎn)錄組的分析框架，旨在從細(xì)胞分辨率精細(xì)解析根瘤共生固氮的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為攻克這一百年科學(xué)難題提供新的研究視角與技術(shù)路徑。

破解“黑匣子”：?jiǎn)渭?xì)胞技術(shù)重塑根瘤研究新范式

根瘤形成涉及共生信號(hào)識(shí)別、細(xì)胞分化、器官發(fā)生和代謝調(diào)控等多個(gè)過(guò)程，不同細(xì)胞類(lèi)型在其中承擔(dān)著不同功能。傳統(tǒng)測(cè)序方法由于缺乏細(xì)胞尺度分辨率，難以精準(zhǔn)描繪固氮相關(guān)基因的表達(dá)動(dòng)態(tài)。該綜述指出，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)與空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的迅猛發(fā)展，正在改變這一局面。這些技術(shù)不僅能夠識(shí)別根瘤內(nèi)部復(fù)雜的細(xì)胞類(lèi)型組成，還能夠結(jié)合空間位置信息，解析根瘤菌侵染、根瘤器官建成及固氮代謝維持過(guò)程中的細(xì)胞動(dòng)態(tài)，為理解根瘤異質(zhì)性提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)。

核心創(chuàng)新：構(gòu)建比較細(xì)胞學(xué)視角下的固氮調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

該綜述的核心亮點(diǎn)之一在于提出了一個(gè)跨物種單細(xì)胞比較轉(zhuǎn)錄組分析框架。研究團(tuán)隊(duì)整合了蒺藜苜蓿、百脈根、大豆等模式豆科植物已發(fā)表的單細(xì)胞數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提出將豌豆、山黃麻等進(jìn)化關(guān)鍵物種納入分析體系，以構(gòu)建系統(tǒng)性的細(xì)胞演化圖譜。通過(guò)比較豆科與非豆科植物在單細(xì)胞分辨率下的轉(zhuǎn)錄特征，研究人員可在細(xì)胞水平追蹤共生固氮性狀的演化軌跡，識(shí)別核心調(diào)控模塊的保守性與特異性。這一“從進(jìn)化視角解析單細(xì)胞”的新范式，不僅為理解“為何大多數(shù)植物無(wú)法結(jié)瘤固氮”提供了重要線(xiàn)索，也為未來(lái)在玉米、水稻等主要非豆科作物中重構(gòu)共生固氮能力，繪制出一份精細(xì)的細(xì)胞級(jí)別藍(lán)圖和關(guān)鍵基因靶點(diǎn)清單。

未來(lái)展望：從單細(xì)胞圖譜走向作物固氮設(shè)計(jì)

文章進(jìn)一步指出，根瘤研究正從傳統(tǒng)的組織水平分析邁向單細(xì)胞精度解析階段。單細(xì)胞與空間組學(xué)的結(jié)合，不僅有助于追溯固氮性狀在演化中的起源與變化，也能夠在細(xì)胞層面揭示根瘤發(fā)育軌跡及其關(guān)鍵調(diào)控節(jié)點(diǎn)，為未來(lái)作物固氮能力的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供關(guān)鍵理論支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

隨著單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)成本的持續(xù)下降和計(jì)算方法的不斷進(jìn)步，未來(lái)有望構(gòu)建涵蓋更多物種的高精度“固氮細(xì)胞百科全書(shū)”。結(jié)合合成生物學(xué)與基因編輯手段，這些從單細(xì)胞維度獲得的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)信息，將為高效固氮作物的智能設(shè)計(jì)提供切實(shí)可行的技術(shù)路徑，助力農(nóng)業(yè)綠色革命實(shí)現(xiàn)新一輪躍升。

圖1 共生固氮進(jìn)化的細(xì)胞藍(lán)圖：基于比較單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)的分析框架

崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室王海峰教授、楊維才研究員與南方科技大學(xué)翟繼先研究員為本文共同通訊作者。崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室石巖、劉慧茹為論文共同第一作者。本研究獲得農(nóng)業(yè)生物育種國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目的資助。

王海峰教授所在的崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室生物固氮研究團(tuán)隊(duì)，由楊維才院士擔(dān)任首席科學(xué)家。王海峰教授長(zhǎng)期從事作物基因組學(xué)研究，重點(diǎn)圍繞豆科植物共生固氮的基因組基礎(chǔ)、調(diào)控機(jī)制與演化規(guī)律開(kāi)展系統(tǒng)研究。團(tuán)隊(duì)聚焦豆科及相關(guān)固氮植物的高質(zhì)量基因組組裝、比較基因組學(xué)、表觀基因組學(xué)、單細(xì)胞與空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)，以及共生固氮關(guān)鍵基因與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析，在相關(guān)領(lǐng)域取得一系列進(jìn)展。近年來(lái)以通訊作者身份在Trends in Plant Science, Molecular Plant, PNAS, Genome Biology, Plant Biotechnology Journal, Plant Communications，Journal of Genetics and Genomics等國(guó)內(nèi)外知名期刊發(fā)表論文多篇。

現(xiàn)因團(tuán)隊(duì)發(fā)展需要，長(zhǎng)期招收博士后和博士生，歡迎具有分子生物學(xué)或生物信息學(xué)相關(guān)背景的同學(xué)加入。在這里你將接受“計(jì)算分析+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”相結(jié)合的系統(tǒng)訓(xùn)練，真正體驗(yàn)干濕結(jié)合的科研模式。最后，無(wú)論你擅長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)還是計(jì)算，都能在團(tuán)隊(duì)中找到施展才華的方向；無(wú)論你希望聚焦基礎(chǔ)研究還是兼顧應(yīng)用探索，也都能獲得充分的支持。有意者歡迎發(fā)送個(gè)人簡(jiǎn)歷到wanghaifeng@yzwlab.cn。

論文鏈接：

https://link.springer.com/article/10.1186/s13059-026-04024-y