Il gruppo di ricerca di Wang Ertao presso il Center of Excellence in Molecular Plant Science, Chinese Academy of Sciences, in collaborazione con il gruppo di ricerca di Zhai Jixian presso la Southern University of Science and Technology, ha pubblicato un articolo di ricerca su Nature Plants intitolato Single-nucleus transcriptomes reveal spatiotemporal symbiotic perception and early response in Medicago. Questo studio è stato il primo a risolvere i cambiamenti dell'espressione genica in specifici tipi di cellule a livello di singola cellula nel sistema radicale di Tribulus terrestris (Medicago truncatula) durante 24 ore di trattamento con fattore tubercolare e ha rivelato che le cellule epidermiche e corticali hanno subito una significativa riprogrammazione dell'espressione genica entro 30 minuti dal trattamento con fattore tubercolare (questi cambiamenti si sono gradualmente ripresi dopo 6 ore). Questo studio ha scoperto che MtFER aveva un modello di espressione simile a MtLYK3 nel profilo trascrizionale a singola cellula della risposta alla segnalazione della simbiosi rizobiale, dimostrando ulteriormente che MtFER fosforilato da MtLYK3 può essere coinvolto nella fissazione simbiotica dell'azoto regolando lo sviluppo dei peli radicali, l'immunità coordinata e l'espressione di geni chiave simbiotici.
I legumi vivono in simbiosi con i rizobi, che possono convertire l'azoto in composti contenenti azoto che possono essere utilizzati direttamente dalle piante, riducendo così drasticamente la richiesta di azoto dei legumi. L'istituzione della fissazione simbiotica dell'azoto si basa sul riconoscimento reciproco tra piante e rizobi. In caso di carenza di azoto, il sistema radicale dei legumi rilascia flavonoidi nell'inter-radice, il che induce i rizobi a secernere fattori di nodulazione. Il sistema radicale dei legumi induce l'arricciamento dei peli radicali, la formazione della linea di invaginazione e la divisione cellulare corticale quando rileva il segnale del fattore di nodulazione, inducendo la morfogenesi dei rizomi. L'istituzione di una relazione simbiotica tra legumi e rizobi richiede risposte precise spaziotemporali e spazialmente specifiche di diversi tipi di cellule nel sistema radicale dei legumi al segnale del fattore tumorigenico. Il team, al fine di risolvere i cambiamenti dinamici nel trascrittoma durante il riconoscimento e la trasduzione di questo segnale complesso, ha costruito un profilo trascrizionale a singola cellula delle radici di tribulus alfalfa che copre 0.5 h, 6 h e 24 h dopo il trattamento con fattori tumorigenici, utilizzando la tecnologia FlsnRNA-seq sviluppata dal team di Zhai Jixian (Fig. 1). L'esame dei profili del trascrittoma a singola cellula basati su questa serie temporale ha rivelato che una significativa riprogrammazione dell'espressione genica si è verificata a 0.5 h dopo il trattamento in tutti i tipi di cellule, e ciò è stato particolarmente pronunciato nelle cellule epidermiche e corticali. Identificando geni espressi specificamente sovraregolati in diversi tipi di cellule in diversi punti temporali, lo studio ha ulteriormente analizzato gli eventi di risposta spaziotemporali specifici che si verificano all'inizio della segnalazione simbiotica. Ad esempio, l'espressione dei geni correlati alla difesa delle piante è aumentata drasticamente in quasi tutti i tipi di cellule entro 0.5 ore dal trattamento e poi è diminuita, suggerendo che la risposta immunitaria delle piante al processo simbiotico è regolata in modo fine e dinamico. Lo studio ha identificato modelli di espressione simili dei geni MtFER e MtLYK3 in risposta a fattori tumorigenici in profili trascrizionali a singola cellula, situati nello stesso modulo di coespressione arricchito con geni tumorigenici noti. Combinando più strumenti di ricerca, lo studio ha inoltre rivelato che MtFER fosforilato da MtLYK3 può partecipare al processo di fissazione dell'azoto simbiotico nei legumi coordinando l'espressione di geni chiave dello sviluppo, immunitari e simbiotici per garantire la normale invasione di Rhizobium (come mostrato nella figura).
Un articolo di revisione intitolato FER meets the Nod factor pathway, pubblicato nello stesso numero di Nature Plants, ha introdotto i risultati di cui sopra e ha anticipato la prossima direzione della ricerca.
La mappa genetica unicellulare delle radici del trifoglio tribulus, stabilita in questo studio, è integrata nel sito web di risorse dati (https://zhailab.bio.sustech.edu.cn/sc_medicago) affinché i ricercatori interessati possano utilizzarla, fornendo un importante supporto dati per successive ricerche correlate nel campo della fissazione simbiotica dell'azoto.
Il lavoro di ricerca è stato supportato dal National Key Research and Development Program of China, dalla National Natural Science Foundation of China, dal Guangdong Innovation and Entrepreneurship Team Project, dalla Shenzhen Science and Technology Innovation Commission, dal Chinese Academy of Sciences Stable Support for Young Teams in the Field of Basic Research Program e dalla Shenzhen Natural Science Foundation. I ricercatori dell'University for Science and Technology of China (USTC) hanno partecipato a parte dello studio.
Coinvolgimento di MtFER nella regolazione dello sviluppo delle radici e dei rizomi mediante sequenziamento nucleare di singole cellule
