Genome Biology | 從單細胞視角解碼百年固氮謎題：崖州灣國家實驗室生物固氮研究團隊發表前瞻性綜述

在全球農業綠色轉型背景下，如何減少化學氮肥依賴、提升作物氮素獲取效率，已成為作物遺傳改良領域的重要方向。豆科植物與根瘤菌形成的共生固氮體系，是自然界最高效的生物固氮模式之一，圍繞這一體系的形成機制、細胞調控過程及演化基礎，長期以來一直是生命科學研究的重要課題。

然而，根瘤的形成并非均一化進程，而是由多種細胞類型在時空維度上精密協同完成的發育事件。傳統群體水平測序技術雖然推動了人們對共生固氮機制的認識，但由于其獲得的是組織平均信號，難以分辨不同細胞類型之間的功能差異與動態變化，因此也在一定程度上限制了對根瘤發育、細胞命運轉變及固氮建立過程的深入解析。

近日，崖州灣國家實驗室王海峰教授受邀在生物學權威期刊Genome Biology發表題為Advances in single-cell and spatial omics for studying symbiotic nitrogen fixation: comparative cellular and evolutionary perspectives的前瞻性綜述。該文系統總結了單細胞組學和空間組學技術在模式豆科植物共生固氮研究中的進展，并提出基于單細胞比較轉錄組的分析框架，旨在從細胞分辨率精細解析根瘤共生固氮的調控網絡，為攻克這一百年科學難題提供新的研究視角與技術路徑。

破解“黑匣子”：單細胞技術重塑根瘤研究新范式

根瘤形成涉及共生信號識別、細胞分化、器官發生和代謝調控等多個過程，不同細胞類型在其中承擔著不同功能。傳統測序方法由于缺乏細胞尺度分辨率，難以精準描繪固氮相關基因的表達動態。該綜述指出，單細胞轉錄組學與空間轉錄組學的迅猛發展，正在改變這一局面。這些技術不僅能夠識別根瘤內部復雜的細胞類型組成，還能夠結合空間位置信息，解析根瘤菌侵染、根瘤器官建成及固氮代謝維持過程中的細胞動態，為理解根瘤異質性提供了新的技術基礎。

核心創新：構建比較細胞學視角下的固氮調控網絡

該綜述的核心亮點之一在于提出了一個跨物種單細胞比較轉錄組分析框架。研究團隊整合了蒺藜苜蓿、百脈根、大豆等模式豆科植物已發表的單細胞數據，進一步提出將豌豆、山黃麻等進化關鍵物種納入分析體系，以構建系統性的細胞演化圖譜。通過比較豆科與非豆科植物在單細胞分辨率下的轉錄特征，研究人員可在細胞水平追蹤共生固氮性狀的演化軌跡，識別核心調控模塊的保守性與特異性。這一“從進化視角解析單細胞”的新范式，不僅為理解“為何大多數植物無法結瘤固氮”提供了重要線索，也為未來在玉米、水稻等主要非豆科作物中重構共生固氮能力，繪制出一份精細的細胞級別藍圖和關鍵基因靶點清單。

未來展望：從單細胞圖譜走向作物固氮設計

文章進一步指出，根瘤研究正從傳統的組織水平分析邁向單細胞精度解析階段。單細胞與空間組學的結合，不僅有助于追溯固氮性狀在演化中的起源與變化，也能夠在細胞層面揭示根瘤發育軌跡及其關鍵調控節點，為未來作物固氮能力的設計與優化提供關鍵理論支撐和數據基礎。

隨著單細胞多組學技術成本的持續下降和計算方法的不斷進步，未來有望構建涵蓋更多物種的高精度“固氮細胞百科全書”。結合合成生物學與基因編輯手段，這些從單細胞維度獲得的調控網絡信息，將為高效固氮作物的智能設計提供切實可行的技術路徑，助力農業綠色革命實現新一輪躍升。

圖1 共生固氮進化的細胞藍圖：基于比較單細胞轉錄組學的分析框架

崖州灣國家實驗室王海峰教授、楊維才研究員與南方科技大學翟繼先研究員為本文共同通訊作者。崖州灣國家實驗室石巖、劉慧茹為論文共同第一作者。本研究獲得農業生物育種國家科技重大專項項目的資助。

王海峰教授所在的崖州灣國家實驗室生物固氮研究團隊，由楊維才院士擔任首席科學家。王海峰教授長期從事作物基因組學研究，重點圍繞豆科植物共生固氮的基因組基礎、調控機制與演化規律開展系統研究。團隊聚焦豆科及相關固氮植物的高質量基因組組裝、比較基因組學、表觀基因組學、單細胞與空間轉錄組學，以及共生固氮關鍵基因與調控網絡解析，在相關領域取得一系列進展。近年來以通訊作者身份在Trends in Plant Science, Molecular Plant, PNAS, Genome Biology, Plant Biotechnology Journal, Plant Communications，Journal of Genetics and Genomics等國內外知名期刊發表論文多篇。

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論文鏈接：

https://link.springer.com/article/10.1186/s13059-026-04024-y