JIA优先上线 | 沈阳农业大学于海秋教授团队在解析花生高效结瘤机制方面取得新进展

近期，沈阳农业大学农学院于海秋教授团队完成的题为“Molecular mechanisms of nodulation regulation in peanut grafting systems: Integrated multi-omics insights into glutathione metabolism and symbiotic networks”的研究在Journal of Integrative Agriculture（《农业科学学报（英文）》，JIA）优先在线发表。

该研究以不同结瘤特性花生品种（系）互为砧木材料、接穗材料进行嫁接，探究嫁接后花生的结瘤性状及根系发育情况。同时通过加权共表达网络分析鉴定参与花生根系及根瘤形成的核心基因，构建花生潜在的结瘤调控网络；联合转录组和代谢组学分析，阐明谷胱甘肽代谢途径上关键代谢物和基因的动态变化在维持氧化还原稳态、促进根瘤形成、提高氮同化效率的关键作用，为深入探明花生高效固氮与产量形成分子机制奠定了理论基础。

主要研究结果如下：

01

嫁接后花生结瘤特性及生长形态

通过不同基因型结瘤差异花生相互嫁接试验表明，花生能否结瘤主要受地下根部影响，而根瘤数量、根瘤酶活性等指标也受地上部基因型的影响。以高结瘤花生品种为地下根部嫁接组合形成根瘤（XH/XH和DH/XH），而不结瘤花生品系为地下根部嫁接组合不产生根瘤（DH/DH和XH/DH），且DH/XH较XH/XH其根瘤数量减少、根瘤酶活性降低。

不同嫁接组合花生的结瘤特性及生长形态

花生根系的转录组学分析表明，结瘤前后不同嫁接组合花生根系中大部分基因呈下调表达，差异表达基因（DEGs）均显著富集在苯丙烷类物质生物合成、类黄酮生物合成、异黄酮生物合成等途径。

不同嫁接花生组合根系的差异表达基因分析

进一步通过加权基因共表达网络分析将有效基因划分到21个模块，其中10个模块中的基因与花生根系和根瘤的生理性状显著相关，进一步比较基因表达谱，得出4个模块在结瘤花生比较组中（XH/XH和DH/XH）均呈上调表达，在关键模块中鉴定到40个核心基因，功能注释涉及LHY蛋白、STKs、ERF、SKP2A等，推测可能参与花生根系发育及根瘤形成过程。

花生根系转录组数据的加权基因共表达网络分析

03

多组学联合分析揭示

花生结瘤的分子调控网络

花生结瘤前后根系的代谢组学分析表明，结瘤组合根系的差异积累代谢物（DAMs）大部分呈上调表达，不结瘤组合根系的DAMs大部分下调，DAMs中黄酮类物质数量最多。结瘤组合在半胱氨酸和蛋氨酸代谢合成途径特异显著富集，不结瘤组合在异黄酮生物合成途径特异显著富集。

不同嫁接花生组合根系的差异积累代谢物分析

结瘤组合根系的DEGs或DAMs均显著富集在谷胱甘肽代谢途径。在谷胱甘肽代谢途径上结瘤组合根系中GSR和GPX的编码基因下调、GST和ODC1的编码基因上调，代谢物GSSG和Spd上调、Put下调，均促进谷氨酸的合成，有利于提高花生根系氮同化效率，维持结瘤和地上部的碳氮养分需求平衡。

不同嫁接花生组合根系在谷胱甘肽代谢途径上的转录和代谢变化

结瘤花生根系调控氧化还原平衡及多胺代谢促进根瘤发育的分子机制

综上，通过调控结瘤花生根系的谷胱甘肽代谢途径，包括代谢物GSSG、Spd、Put，及GSR、GPX、GST、OCD1关键酶的编码基因等，以提高谷氨酸合成，促进根瘤固氮的氮代谢过程，为地上部提供更多可利用的NH₄⁺。研究整合形态生理、转录组和代谢组等多维度数据，挖掘调控花生结瘤固氮的生理及分子机理，为完善花生根瘤固氮理论体系提供新见解，对提高花生固氮效率进而减少化肥使用具有参考意义。

沈阳农业大学于海秋教授和蒋春姬副教授为共同通讯作者，博士生郭佩（已毕业）为第一作者。

该研究获得“国家花生产业体系栽培生理岗位科学家专项（CARS-13）”、“辽宁省种质创新藏粮于技专项计划（2023JH1/10200002）”、“沈阳市科技计划项目（23-410-2-08）”的资助。

研究团队简介

沈阳农业大学花生研究所成立于2013年，是校属科研机构。学术方向带头人于海秋教授，团队负责人赵新华教授、副院长，现有固定人员13人，其中教授4人，副教授4人，博导2人、硕导10人，现有博士、硕士研究生72人。为国家花生产业体系栽培生理岗位科学家、国家现代农业产业技术体系花生产业辽宁创新团队首席专家单位，国家花生工程技术研究中心沈阳花生科研工作站所在地。花生研究所立足辽宁、面向东北，围绕国家花生发展战略需求及生产存在的实际问题，以突破花生生产关键技术难题、提高科技自主创新能力为核心，以促进花生高产优质高效为目标，主要开展花生优良种质资源创制、花生精简化高效栽培理论与技术、花生逆境生理及调控等科研工作。现拥有花生分子生物学实验室、花生栽培生理实验室、花生育种实验室、教授工作室、教师工作室、研究生工作室、田间作业室、种子储藏室等共1500m2，万元以上先进仪器120台套。在沈阳农业大学试验基地、海南繁育基地拥有试验基地50余亩，在兴城市羊安乡、阜蒙县泡子镇、康平县海洲乡等花生主产区建有新品种示范及栽培技术示范与实习基地1500余亩。长期与美国、韩国、日本、山东、河南等科研院所开展合作研究，先后承担了国家自然科学基金青年基金、面上项目、国家花生产业体系栽培生理岗位科学家建设项目、“十三五”“十四五”国家重点研发项目子课题、辽宁省科技重大专项、国家现代农业产业技术体系花生产业辽宁创新团队建设项目等60余项，获国家教学成果二等奖、辽宁省教学成果特等奖、一等奖、农业部农牧渔丰收奖二等奖、辽宁省科技进步二等奖、辽宁农业科技贡献一等奖等省部级以上奖励15项，在国内外重要学术期刊上发表论文200余篇。选育花生品种18个，主编、参编农业部“十二五”、“十三五”规划教材4部，出版著作8部，制定地方标准8项。

| 图文由作者团队提供

Journal of Integrative Agriculture（《农业科学学报（英文）》, JIA）由中华人民共和国农业农村部主管，中国农业科学院与中国农学会主办，中国农业科学院农业信息研究所承办。综合性英文学术期刊，月刊。创刊于2002年，现任主编为中国科学院院士陈化兰。JIA主要栏目有作物科学、园艺、植物保护、动物科学、动物医学、农业生态环境、食品科学、农业经济与管理等。刊稿类型有综述、研究论文、简报以及评述等。全部论文在Elsevier-ScienceDirect (SD) 平台OA出版。最新SCI影响因子5.7，位于SCI-JCR农业综合学科Q1区。中科院分区农林科学1区。2016年以来先后获得中国科协等部委 “提升计划”“登峰计划”“卓越计划”项目支持。

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