解析豆科植物根瘤固氮的调控网络
2022年1月18日，华中农业大学生命科学技术学院/农业微生物学国家重点实验室微生物光合作用与生物固氮团队端木德强教授课题组在国际学术期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“Single cell-type transcriptome profiling reveals genes that promote nitrogen fixation in the infected and uninfected cells of legume nodules”的研究论文，利用单细胞测序方法鉴定到豆科植物固氮根瘤中侵染细胞和非侵染细胞之间的差异表达基因网络，拓宽了对根瘤固氮系统中信号转导、转录调控、代谢途径及转运途径的理解。
氮肥的使用对于提高作物产量至关重要。然而，氮肥的过度使用造成能源耗费和严重的环境污染问题，因此生物固氮的研究和利用就显得尤为重要。生物固氮分为共生固氮、自生固氮和联合固氮，豆科植物与根瘤菌形成的共生固氮系统是最为高效的生物固氮的方式，植物光合作用的产物作为碳源提供给根瘤利用，而根瘤固定的氮素转运到地上组织（图1）。在百脉根、大豆、苜蓿等模式豆科植物中，研究人员对根瘤固氮的机制进行了广泛的研究。在过去的二十年中，大多数研究集中在根瘤共生的早期阶段。然而，对于在成熟根瘤中调控固氮的分子机制知之甚少。本研究利用百脉根作为研究对象，通过分离成熟根瘤中的侵染细胞 (IC) 和非侵染细胞 (UC)并进行单细胞测序分析，挖掘根瘤中调控高效固氮的关键基因，解析其参与的细胞调控过程。
图1：豆科植物共生固氮中的碳-氮营养交换及根瘤中的侵染与非侵染细胞
该研究首先通过显微操作获得了百脉根成熟根瘤中的两种细胞组分：红棕色的侵染细胞和透明的非侵染细胞（每种类型的细胞分离50~100个）；通过微量RNA提取、Smart-Seq2建库和测序，最终鉴定到939个差异表达基因，其中有925个基因为本研究中新鉴定发现，包括55个转录因子和73个转运蛋白（图2）。已报道的共生固氮相关的基因如豆血红蛋白基因（LjLbs）和硫酸盐转运蛋白基因（LjSST1）在侵染细胞中高水平表达；相反，氨转运蛋白（LjAMT1.1）和ERF转录因子（LjERF1）仅在非侵染细胞中表达。该研究发现六个蔗糖合成酶基因中的两个基因和七个转化酶基因中的一个基因在非侵染细胞中表达水平较高，这些结果支持蔗糖被运输到非侵染细胞并分解为二羧酸盐的模型。谷氨酰胺合成酶（GS）和天冬酰胺合成酶（AS）是氨同化为谷氨酰胺和天冬酰胺的两种关键酶，该研究发现编码GS的五个基因中的两个基因在根瘤的侵染细胞和非侵染细胞中均高度表达；氨转运蛋白（LjAMT1.1）在非侵染细胞中特异表达，表明非侵染细胞可能有助于氨的同化。此外，六个 AS 基因中的两个在非侵染细胞中的表达显著高于侵染细胞，表明谷氨酰胺可能在侵染细胞和非侵染细胞中都有效合成。
图2：单细胞分离及差异表达基因鉴定
根瘤中豆血红蛋白通过其辅因子血红素与氧气结合与解离，从而实现根瘤中微氧环境的精细调控。血红素在质体中通过四吡咯途径合成，其中谷氨酰-tRNA还原酶（GluTR）催化血红素生物合成的限速步骤。百脉根基因组编码三个GluTR基因，转录组结果表明LjGluTR2只在侵染细胞中表达。启动子-GUS融合分析发现侵染细胞中LjGluTR2的表达显著增强。FLU蛋白 (Fluorescence in blue light) 通过抑制GluTR活性负反馈调节四吡咯途径，利用在侵染细胞中表达的LjLb2启动子过表达FLU基因，与对照植物相比过表达FLU的植物茎鲜重减少，红色根瘤减少，且形成了更多白色根瘤，根瘤中的血红素水平下降。这些结果表明，血红素生物合成的翻译后调控对成熟根瘤的高效固氮至关重要（图3）。
图3：根瘤中血红素合成途径及FLU的翻译后调控机制
综上，该研究系统鉴定了在固氮根瘤中侵染细胞和非侵染细胞中的差异表达基因。这些基因大部分为本研究首次鉴定发现，为进一步深入研究根瘤内的信号转导、转录调控、代谢通路和代谢物在根瘤中的转运来实现对共生固氮的协同调控的分子机制奠定了基础。
博士后王龙龙和博士研究生周宇并列为本文的第一作者，华中农业大学生命科学技术学院、农业微生物学国家重点实验室端木德强教授为通讯作者。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13778
发现Cu过载损伤血管和淋巴管生成机制
近日，华中农业大学水产学院鱼类逆境发育遗传学团队在医学外周血管病领域期刊Angiogenesis在线发表了题为“Copper stress impairs angiogenesis and lymphangiogenesis during zebrafish embryogenesis by down-regulating pERK1/2-foxm1-MMP2/9 axis and epigenetically regulating ccbe1 expression”的研究论文，该论文揭示了铜过载损伤斑马鱼胚胎发育过程中血管生成和淋巴管生成的机制。
铜（Cu）在人体内是仅次于锌和铁的第三大微量元素，在机体内发挥一系列重要的生理功能，铜的缺乏与过载都会导致一系列发育缺陷以及疾病的发生。作为脊椎动物循环系统的重要组成部分，血管和淋巴管在各组织、器官之间的气体、液体、营养物质的交换和细胞的运输中发挥必不可少的作用。然而，迄今为止，铜过载对胚胎发育过程中血管和淋巴管的影响及其机制鲜有报道。
该团队以模式生物斑马鱼与人脐静脉内皮细胞HUVECs为研究对象，发现铜过载的胚胎存在血管生成缺陷以及淋巴管生成缺陷，进一步研究表明铜过载通过下调pERK1/2-foxm1-MMP2/9调控轴，进而影响内皮细胞的迁移而非影响增殖导致血管生成缺陷。此外，铜过载通过上调ccbe1启动子区域的转录因子结合位点的DNA甲基化水平，使转录因子E2F7/8与ccbe1启动子的结合丰度降低，进而下调ccbe1的表达导致淋巴管生成缺陷。
水产学院博士研究生邰志鹏和李玲雅为该论文共同第一作者，水产学院刘静霞教授为该论文的通讯作者。
该学科组一直围绕Cu稳态代谢失衡下的鱼类发育遗传学开展研究。本论文是继该学科组研究成果The FASEB Journal（Jin et al., 2021），BBA-GRM （Zhang et al., 2020），Cell Communication Signaling（Zhao et al., 2020），Frontiers in Immunology（Chen et al., 2020）后的又一重要发现。
论文链接：
https://doi.org/10.1007/s10456-021-09827-0
在针对前作施氮肥对后作生长季温室气体排放影响方面取得进展
近日，华中农业大学资源与环境学院生态过程与环境效应团队针对稻田轮作体系中前作施氮肥对后作生长季温室气体排放影响方面取得一系列进展，相关成果发表在国际学术期刊Applied Soil Ecology，Plant and Soil和Science of the Total Environment。这些研究结果可为优化水旱轮作系统中氮肥管理模式提供参考，对我国农业碳减排措施制订，及碳中和目标的实现有重要参考意义。
气候变暖是受到人们广泛关注的全球性环境问题，导致这一现象产生的根源是大气中温室气体浓度的不断增加。氮肥是获取作物高产的重要手段，氮肥使用的合理与否也在很大程度上影响了土壤温室气体排放，在稻田轮作系统中，氮肥对当季土壤温室气体排放研究报道比较多，在保证作物不减产的前提下，可以通过优化当季作物氮肥的施用量来控制农田土壤温室气体的排放，但关于稻田轮作系统中前茬作物施肥是否影响后茬作物种植过程中土壤温室气体排放则未有定论。针对这一问题，资源与环境学院生态过程与环境效应团队采取小区试验和田间试验，探究了水旱轮作系统中氮肥对当季和后茬作物种植过程中土壤温室气体甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）排放的影响。
小区试验以油菜-水稻轮作系统为研究对象，设置了油菜和水稻生长季均施氮肥（N150-150）；油菜季施氮肥，水稻季不施氮肥（N150-0）；油菜季不施氮肥，水稻季施氮肥（N0-150）；油菜和水稻季均不施氮肥（N0-0）。研究结果表明油菜季施氮肥不仅增加了油菜季N2O的排放总量，也增加了水稻季CH4和N2O的排放总量。这是因为油菜季施用氮肥促进了土壤碳的积累，这些碳在水稻季成为CH4产生的底物和N2O生成的能源物质。油菜季施氮肥还提高了水稻季土壤中铵态氮含量，高浓度的铵态氮可抑制稻田土壤CH4氧化从而增加其排放，同时，高浓度的铵态氮有利于土壤氨氧化过程的进行，增加其中间产物N2O的排放。
田间试验以典型冬水田为研究对象，即夏季种植水稻，冬季休闲的种植模式，设置水稻季常规施氮肥（CN）和不施氮肥（NN）两个处理。研究结果表明水稻种植期间施加氮肥不仅增加了水稻季CH4的排放，也促进了休闲期间土壤CH4的排放。
资源与环境学院博士生徐鹏和蒋梦蝶分别为第一作者，胡荣桂教授为通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2020.103633
https://doi.org/10.1007/s11104-021-05162-x
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140632
提出了碱性固废CO2矿化性能的有机胺强化机制
近日，华中农业大学工学院晏水平教授课题组研究成果以“Feasibility and mechanism of an amine-looping process for efficient CO2 mineralization using alkaline ashes”为题在Chemical Engineering Journal发表。研究构建了用于沼气中CO2吸收与矿化固定的“碱性固废-有机胺-水”新体系，系统阐释了有机胺在碱性固废CO2矿化过程中的作用机理，并探究了反应后碱性固废后续利用的可能性，为CO2排放控制提供了新思路。
CO2捕集、利用和封存技术是实现3060双碳目标的重要技术之一。利用工业生产中产生的碱性固废进行CO2矿化，不仅可实现CO2减排，还能实现CO2的永久固化。但传统固废CO2矿化技术存在碱土金属氧化物和CO2在水中溶解过程缓慢且溶解度较低的问题亟待解决。基于此，该研究利用碱性固废作为钙源，利用有机胺溶液作为反应溶剂，构建了“碱性固废-有机胺-水”新反应体系，并用于沼气中CO2吸收，最终实现CO2的高效脱除。
碱性固废CO2矿化性能的有机胺强化新机制示意图
该研究系统阐释了有机胺在碱性固废CO2矿化过程中的作用机理：首先，有机胺可直接与CO2结合生成氨基甲酸酯，实现CO2从气相向液相的快速转移，气液间的CO2传质得到强化，不仅提高了体系对沼气中CO2的脱除效率，还能为碳酸钙沉淀生成提供更高浓度的碳源；其次，有机胺与CO2反应的同时，还会生成质子化的有机胺，可为碱性固废中钙离子溶出提供氢离子，同时，未反应的有机胺可与溶出的钙离子进行弱配位螯合，进一步降低溶液中钙离子的自由度，从而强化钙离子的浸出；最后，有机胺可通过吸附作用，参与碳酸钙结晶沉淀过程，从而调控固废中碳酸钙新生物相的晶型形貌。
此外，通过碳酸钙的沉淀反应，可将体系生成的氨基甲酸酯和质子化有机胺原位再生为有机胺，可实现CO2的循环吸收。
华中农业大学工学院副教授纪龙为论文的第一作者，晏水平教授为通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133118
由于篇幅所限，今天所分享的仅为近期华中农业大学科学研究成果的一部分。更多科研动态，欢迎点击文末“阅读原文”，浏览华中农业大学南湖新闻网科学研究专题进一步了解。
