Die Forschungsgruppe von Wang Ertao am Center of Excellence in Molecular Plant Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften veröffentlichte in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Zhai Jixian an der Southern University of Science and Technology eine Forschungsarbeit in Nature Plants mit dem Titel „Single-nucleus transcriptomes reveal spatiotemporal symbiotic perception and early response in Medicago“. Diese Studie war die erste, die Veränderungen der Genexpression in bestimmten Zelltypen auf Einzelzellebene im Wurzelsystem von Tribulus terrestris (Medicago truncatula) während einer 24-stündigen Behandlung mit Tuberkelfaktor aufdeckte, und enthüllte, dass epidermale und kortikale Zellen innerhalb von 30 Minuten nach der Behandlung mit Tuberkelfaktor eine signifikante Umprogrammierung der Genexpression durchliefen (diese Veränderungen erholten sich nach 6 Stunden allmählich). Diese Studie ergab, dass MtFER ein ähnliches Expressionsmuster wie MtLYK3 im Einzelzell-Transkriptionsprofil der Signalantwort der Rhizobiensymbiose aufwies, was weiter belegt, dass durch MtLYK3 phosphoryliertes MtFER an der symbiotischen Stickstofffixierung beteiligt sein könnte, indem es die Wurzelhaarentwicklung, die koordinierte Immunität und die Expression symbiotischer Schlüsselgene reguliert.
Hülsenfrüchte leben in Symbiose mit Rhizobien, die Stickstoff in stickstoffhaltige Verbindungen umwandeln können, die von Pflanzen direkt genutzt werden können, wodurch der Stickstoffbedarf von Hülsenfrüchten drastisch reduziert wird. Die Etablierung einer symbiotischen Stickstofffixierung beruht auf der gegenseitigen Erkennung zwischen Pflanzen und Rhizobien. Bei Stickstoffmangel setzt das Wurzelsystem der Hülsenfrüchte Flavonoide in die Zwischenwurzel frei, was die Rhizobien dazu veranlasst, Knöllchenfaktoren abzusondern. Das Wurzelsystem der Hülsenfrüchte induziert das Einrollen der Wurzelhaare, die Bildung von Invaginationslinien und die Zellteilung der Rinde, wenn es das Signal des Knöllchenfaktors wahrnimmt, wodurch die Morphogenese der Rhizome induziert wird. Die Etablierung einer symbiotischen Beziehung zwischen Hülsenfrüchten und Rhizobien erfordert präzise räumlich-zeitliche und räumlich-spezifische Reaktionen verschiedener Zelltypen im Wurzelsystem der Hülsenfrüchte auf das Signal des tumorbildenden Faktors. Um die dynamischen Änderungen im Transkriptom während der Erkennung und Transduktion dieses komplexen Signals aufzuklären, erstellte das Team mithilfe der von Zhai Jixians Team entwickelten FlsnRNA-seq-Technologie ein Einzelzell-Transkriptionsprofil von Tribulus-Luzerne-Wurzeln, das 0,5 Stunden, 6 Stunden und 24 Stunden nach der Behandlung mit tumorbildenden Faktoren abdeckt (Abb. 1). Die Untersuchung der Einzelzell-Transkriptomprofile auf Grundlage dieser Zeitreihe ergab, dass 0,5 Stunden nach der Behandlung in allen Zelltypen eine signifikante Umprogrammierung der Genexpression auftrat, die in Epidermis- und Kortexzellen besonders ausgeprägt war. Durch die Identifizierung spezifisch hochregulierter exprimierter Gene in verschiedenen Zelltypen zu verschiedenen Zeitpunkten analysierte die Studie außerdem die raum-zeitspezifischen Reaktionsereignisse, die früh in der symbiotischen Signalgebung auftreten. So stieg beispielsweise die Expression von Genen für die pflanzliche Abwehr innerhalb von 0,5 Stunden nach der Behandlung in fast allen Zelltypen dramatisch an und nahm danach wieder ab. Dies legt nahe, dass die Immunantwort der Pflanze auf den symbiotischen Prozess fein und dynamisch reguliert ist. Die Studie identifizierte ähnliche Expressionsmuster von MtFER- und MtLYK3-Genen als Reaktion auf tumorbildende Faktoren in Transkriptionsprofilen einzelner Zellen, die sich im selben Coexpressionsmodul befinden, das mit bekannten tumorbildenden Genen angereichert ist. Durch die Kombination mehrerer Forschungsinstrumente ergab die Studie außerdem, dass durch MtLYK3 phosphoryliertes MtFER am symbiotischen Stickstofffixierungsprozess in Hülsenfrüchten teilnehmen kann, indem es die Expression von entwicklungsbezogenen, immunologischen und symbiotischen Schlüsselgenen koordiniert, um die normale Invasion von Rhizobium sicherzustellen (wie in der Abbildung gezeigt).
Ein Übersichtsartikel mit dem Titel „FER meets the Nod factor pathway“, der in der gleichen Ausgabe von Nature Plants veröffentlicht wurde, stellte die oben genannten Ergebnisse vor und gab einen Ausblick auf die nächste Forschungsrichtung.
Die im Rahmen dieser Studie erstellte Einzelzell-Genkarte der Wurzeln des Tribulus-Klees ist in die Datenressourcen-Website (https://zhailab.bio.sustech.edu.cn/sc_medicago) integriert und steht einschlägigen Forschern zur Nutzung zur Verfügung. Sie bietet wichtige Datenunterstützung für nachfolgende verwandte Forschungen auf dem Gebiet der symbiotischen Stickstofffixierung.
Die Forschungsarbeit wurde vom National Key Research and Development Program of China, der National Natural Science Foundation of China, dem Guangdong Innovation and Entrepreneurship Team Project, der Shenzhen Science and Technology Innovation Commission, dem Chinese Academy of Sciences Stable Support for Young Teams in the Field of Basic Research Program und der Shenzhen Natural Science Foundation unterstützt. Forscher der University for Science and Technology of China (USTC) waren an einem Teil der Studie beteiligt.
Beteiligung von MtFER an der Regulierung der Wurzel- und Rhizomentwicklung mittels Einzelzellkernsequenzierung
