中国科学院分子植物科学卓越センターの王二涛研究グループは、南方科技大学の翟継賢研究グループと共同で、「単核トランスクリプトームがメディカゴの時空間共生認識と初期反応を明らかにする」と題する研究論文をNature Plants誌に発表した。この研究は、ハマビシ（Medicago truncatula）の根系における結核因子処理24時間中の特定細胞タイプの遺伝子発現変化を単一細胞レベルで解明した初めての研究であり、結核因子処理後30分以内に表皮細胞と皮質細胞が遺伝子発現の大幅な再プログラム化を受けたことを明らかにした（これらの変化は6時間後に徐々に回復した）。 この研究では、根粒菌共生シグナル伝達応答の単一細胞転写プロファイルにおいて、MtFER が MtLYK3 と類似した発現パターンを示すことが判明し、さらに、MtLYK3 によってリン酸化される MtFER が、根毛の発達、協調免疫、および共生の主要遺伝子の発現を調節することにより、共生窒素固定に関与している可能性があることが実証されました。
マメ科植物は根粒菌と共生しており、根粒菌は窒素を植物が直接利用できる窒素含有化合物に変換できるため、マメ科植物の窒素需要が大幅に減少します。共生窒素固定の確立は、植物と根粒菌の相互認識に依存しています。窒素欠乏下では、マメ科植物の根系は根間にフラボノイドを放出し、根粒菌による根粒形成因子の分泌を誘導します。マメ科植物の根系は、根粒形成因子のシグナルを感知すると、根毛のカール、陥入線の形成、皮質細胞分裂を誘導し、根茎の形態形成を誘導します。マメ科植物と根粒菌の共生関係を確立するには、マメ科植物の根系内のさまざまな細胞タイプが腫瘍形成因子シグナルに対して正確な時空間的および空間特異的な応答を示す必要があります。 研究チームは、この複雑なシグナルの認識と伝達中に生じるトランスクリプトームの動的な変化を解明するため、翟継賢研究チームによって開発された FlsnRNA-seq 技術を使用して、腫瘍形成因子による処理後 0.5 時間、6 時間、24 時間にわたるトリビュラスアルファルファの根の単一細胞転写プロファイルを構築しました (図 1)。この時系列に基づく単一細胞トランスクリプトーム プロファイルの調査により、すべての細胞タイプにおいて処理後 0.5 時間で遺伝子発現の大幅な再プログラミングが発生し、特に表皮細胞と皮質細胞で顕著であることが明らかになりました。異なる時点で異なる細胞タイプで特異的にアップレギュレーションされた発現遺伝子を特定することにより、この研究では、共生シグナル伝達の初期に発生する時空間特異的な応答イベントをさらに分析しました。 例えば、植物防御関連遺伝子の発現は、処理後 0.5 時間以内にほぼすべての細胞タイプで劇的に増加し、その後減少しました。これは、共生プロセスに対する植物の免疫応答が細かく動的に制御されていることを示唆しています。この研究では、単一細胞転写プロファイルで、腫瘍形成因子に反応する MtFER および MtLYK3 遺伝子の類似した発現パターンを特定しました。これらの遺伝子は、既知の腫瘍形成遺伝子が豊富な同じ共発現モジュール内にあります。複数の研究ツールを組み合わせることで、この研究ではさらに、MtLYK3 によってリン酸化される MtFER が、発生、免疫、および共生の主要遺伝子の発現を調整して根粒菌の正常な侵入を確保することにより、マメ科植物の共生窒素固定プロセスに関与している可能性があることが明らかになりました (図を参照)。
Nature Plants の同じ号に掲載された「FER meets the Nod factor pathway」と題するレビュー記事では、上記の結果が紹介され、次の研究の方向性が期待されています。
本研究で確立されたトリビュラスクローバーの根の単一細胞遺伝子マップは、関係する研究者が使用できるようにデータリソースウェブサイト（https://zhailab.bio.sustech.edu.cn/sc_medicago）に統合されており、共生窒素固定の分野におけるその後の関連研究に重要なデータサポートを提供します。
この研究は、中国国家重点研究開発計画、中国国家自然科学基金、広東省イノベーション・起業家チームプロジェクト、深セン市科学技術イノベーション委員会、中国科学院基礎研究分野における若手チーム安定支援プログラム、深セン市自然科学基金の支援を受けて行われた。中国科学技術大学（USTC）の研究者らも研究の一部に参加した。
単一細胞核シークエンシングを用いた根と根茎の発達制御における MtFER の関与
