JIPB|华中农业大学大豆团队系统解析大豆共生固氮自然变异的多组学调控图谱

共生固氮 (Symbiotic Nitrogen Fixation, SNF) 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, 共生固氮是一个受基因型、环境、根瘤发育阶段和植株整体生理状态等因素共同影响的复杂数量性状, 其自然变异的遗传和转录调控基础仍有待系统解析。

近日, 华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室王旭彤教授课题组在JIPB发表了题为 “Integrative genomic and transcriptomic analyses characterize the regulatory landscape of symbiotic nitrogen fixation in soybean diversity panel” 的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.70284)。该研究以包含野生大豆和栽培大豆的360份大豆自然群体为材料, 整合基因组重测序、根瘤转录组、表型鉴定和功能验证等多层次证据, 系统解析了大豆共生固氮自然变异背后的遗传与转录调控网络, 为大豆高效固氮遗传改良提供了重要资源和新思路。

为进一步揭示表达调控层面的机制, 研究团队对360份材料28天接种后的成熟根瘤进行群体水平RNA-seq分析, 并利用独立成分分析 (Independent Component Analysis, ICA) 识别出136个表达模块。其中11个模块与共生固氮相关性状显著相关, 这些模块富集于昼夜节律、脂质代谢、防御反应、碳水化合物转运和细胞壁重塑等生物学过程。值得注意的是, 主要涉及防御反应和碳分配过程的模块在野生材料中表现为更高的表达水平, 而与单株固氮能力相关的模块则与脂质代谢过程密切相关, 提示成熟根瘤中的固氮表现不仅受局部共生信号调控, 也受到植株系统性代谢和生理节律的共同影响 (图2)。

随后开展转录组关联分析 (TWAS), 共鉴定到2,437个显著的基因—性状关联, 其中单株固氮能力、根瘤重量和固氮效率分别对应1,453、806和178个显著关联基因。相比GWAS, TWAS捕获到更多与固氮性状相关的表达信号, 说明基因表达水平作为连接遗传变异与表型变异的中间层, 能够更有效地解析复杂固氮性状的调控基础。研究还发现, 多个与固氮效率相关的基因在野生大豆中表达更高, 其中包括Glyma.06G045800和Glyma.13G307600等候选基因, 为挖掘野生大豆中潜在优异固氮调控资源提供了方向 (图3)。

在此基础上, 研究进一步开展eQTL分析, 共鉴定到4,654个显著表达调控位点, 包括1,241个局部调控位点、2,505个远端调控位点和908个混合调控位点, 并识别出38个远端调控热点。相当一部分 (~48%) 受调控的基因位于驯化选择区域, 表明大豆驯化和改良过程中积累的调控变异可能参与塑造根瘤转录和固氮性状差异。研究还发现, eQTL网络覆盖了195个已知共生相关基因, 包括GmNFR1α/Rj1、GmNFR5β/Rj6、GmNSP1a和Rj2/Rfg1等关键组分, 揭示了顺式调控与远端调控热点共同构成的大豆根瘤表达调控网络 (图4)。

为了验证多组学分析筛选出的候选调控因子, 研究团队进一步对Dt2和GmLHY进行了功能分析。结果显示, Dt2过表达植株不仅表现出早花和株高降低等预期发育表型, 还表现出根瘤数和固氮效率增加; 而dt2突变体根瘤总生物量降低, 说明该发育调控因子对地上部形态建成和地下部共生固氮性状具有多效性影响。另一方面, 昼夜节律因子GmLHY被证明是根瘤形成的负调控因子: gmlhy1a和gmlhy1b突变体根瘤数目和根瘤重量显著增加, 而毛状根中GmLHY1b过表达则抑制根瘤形成。结合CUT&Tag分析, 研究鉴定到288个潜在GmLHY直接靶基因, 其中被GmLHY下调的基因显著富集于碳水化合物转运、细胞壁重塑、黄酮和赤霉素合成、固氮及氧转运等过程, 进一步建立了昼夜节律调控与大豆共生固氮之间的分子联系 (图5)。

图5 Dt2与GmLHY1s在调控结瘤及根系发育中的功能验证

除机制解析外, 研究团队还构建了大豆共生固氮多组学数据库SoySNFdb。该数据库整合了基因组变异、群体根瘤转录组、GWAS、TWAS、eQTL、ICA表达模块以及单细胞核转录组等信息, 收录52,871个大豆基因和531,172个其他植物同源基因注释。SoySNFdb支持基因、性状、模块和关键词检索, 并提供自然语言交互式查询功能, 为研究人员系统探索大豆共生固氮调控网络提供了开放、可复用的资源平台 (图6)。

图6 SoySNFdb: 大豆共生固氮多组学数据库