De onderzoeksgroep van Wang Ertao bij het Center of Excellence in Molecular Plant Science van de Chinese Academy of Sciences, publiceerde in samenwerking met de onderzoeksgroep van Zhai Jixian aan de Southern University of Science and Technology een onderzoeksartikel in Nature Plants met de titel Single-nucleus transcriptomes reveal spatiotemporal symbiotic perception and early response in Medicago. Deze studie was de eerste die veranderingen in genexpressie in specifieke celtypen op het niveau van afzonderlijke cellen in het wortelstelsel van Tribulus terrestris (Medicago truncatula) tijdens 24 uur behandeling met tuberkelfactor oploste, en onthulde dat epidermale en corticale cellen een significante herprogrammering van genexpressie ondergingen binnen 30 minuten na behandeling met tuberkelfactor (deze veranderingen herstelden geleidelijk na 6 uur). Uit dit onderzoek bleek dat MtFER een vergelijkbaar expressiepatroon had als MtLYK3 in het transcriptionele profiel van de signaalrespons van rhizobiale symbiose op afzonderlijke cellen. Dit toont verder aan dat MtFER, gefosforyleerd door MtLYK3, mogelijk betrokken is bij symbiotische stikstofbinding door de ontwikkeling van wortelharen, gecoördineerde immuniteit en de expressie van symbiotische sleutelgenen te reguleren.
Peulvruchten leven in symbiose met rhizobia, die stikstof kunnen omzetten in stikstofhoudende verbindingen die direct door planten kunnen worden gebruikt, waardoor de stikstofbehoefte van peulvruchten drastisch wordt verminderd. De totstandkoming van symbiotische stikstofbinding is afhankelijk van wederzijdse herkenning tussen planten en rhizobia. Bij stikstoftekort geeft het wortelstelsel van peulvruchten flavonoïden af in de inter-wortel, wat rhizobia ertoe aanzet om nodulatiefactoren af te scheiden. Het wortelstelsel van peulvruchten induceert wortelhaarkrulling, invaginatielijnvorming en corticale celdeling bij het detecteren van het signaal van de nodulatiefactor, wat de morfogenese van wortelstokken induceert. De totstandkoming van een symbiotische relatie tussen peulvruchten en rhizobia vereist precieze spatiotemporele en ruimtelijk-specifieke reacties van verschillende celtypen in het wortelstelsel van peulvruchten op het tumorigene factorsignaal. Om de dynamische veranderingen in het transcriptoom tijdens de herkenning en transductie van dit complexe signaal op te lossen, construeerde het team een transcriptieprofiel van één cel van tribulus alfalfa-wortels dat 0.5 uur, 6 uur en 24 uur na behandeling met tumorigene factoren besloeg, met behulp van de FlsnRNA-seq-technologie die is ontwikkeld door het team van Zhai Jixian (Fig. 1). Onderzoek van de transcriptoomprofielen van één cel op basis van deze tijdreeks onthulde dat er significante herprogrammering van genexpressie optrad op 0.5 uur na behandeling in alle celtypen, en dit was met name uitgesproken in epidermale en corticale cellen. Door specifiek omhooggereguleerde tot expressie gebrachte genen in verschillende celtypen op verschillende tijdstippen te identificeren, analyseerde de studie verder de spatiotemporele specifieke responsgebeurtenissen die vroeg in symbiotische signalering optreden. Bijvoorbeeld, de expressie van genen die gerelateerd zijn aan de verdediging van planten nam dramatisch toe in bijna alle celtypen binnen 0.5 uur na de behandeling en nam vervolgens af, wat suggereert dat de immuunrespons van planten op het symbiotische proces nauwkeurig en dynamisch wordt gereguleerd. De studie identificeerde vergelijkbare expressiepatronen van MtFER- en MtLYK3-genen als reactie op tumorigene factoren in transcriptionele profielen van afzonderlijke cellen, gelegen in dezelfde co-expressiemodule verrijkt met bekende tumorigene genen. Door meerdere onderzoeksinstrumenten te combineren, onthulde de studie verder dat MtFER gefosforyleerd door MtLYK3 mogelijk deelneemt aan het symbiotische stikstofbindingsproces in peulvruchten door de expressie van ontwikkelings-, immuun- en symbiotische sleutelgenen te coördineren om de normale invasie van Rhizobium te verzekeren (zoals weergegeven in de afbeelding).
In hetzelfde nummer van Nature Plants werd een overzichtsartikel gepubliceerd met de titel FER meets the Nod factor pathway. Hierin werden de bovenstaande resultaten gepresenteerd en werd vooruitgeblikt naar de volgende onderzoeksrichting.
De genenkaart van individuele cellen van tribulusklaverwortels die in dit onderzoek is opgesteld, is geïntegreerd in de website met gegevensbronnen (https://zhailab.bio.sustech.edu.cn/sc_medicago) zodat relevante onderzoekers deze kunnen gebruiken. Dit biedt belangrijke gegevensondersteuning voor vervolggerelateerd onderzoek op het gebied van symbiotische stikstofbinding.
Het onderzoekswerk werd ondersteund door het National Key Research and Development Program of China, de National Natural Science Foundation of China, het Guangdong Innovation and Entrepreneurship Team Project, de Shenzhen Science and Technology Innovation Commission, de Chinese Academy of Sciences Stable Support for Young Teams in the Field of Basic Research Program en de Shenzhen Natural Science Foundation. Onderzoekers van de University for Science and Technology of China (USTC) namen deel aan een deel van de studie.
Betrokkenheid van MtFER bij de regulatie van wortel- en wortelstokontwikkeling met behulp van nucleaire sequentiebepaling van enkele cellen
