小麦对全球粮食安全至关重要。氮肥的施用在小麦产量提升方面起着重要作用，但氮肥的过度或不合理使用日益严重，导致面源污染问题，而且氮肥的低水平利用在一定程度上限制了作物产量的进一步提升。因此，提高作物的氮利用效率成为一个紧迫的问题。然而，目前对小麦体内氮素高效利用机制的认识仍然有限。许为钢院士团队前期研究发现，无论是高氮还是低氮处理条件下，HNV（氮素高效利用型品种）的根形态和根活力都显著优于LNV（氮素低效利用型品种) ，并且其硝酸盐转运蛋白基因的平均相对表达水平显著高于LNV。HNV的硝酸还原酶和合成酶活性以及氮积累量在不同生长阶段均显著高于LNV。与高氮处理相比，HNV和LNV在低氮处理下的硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶活性及氮积累量均有所下降，其中LNV的下降更为明显。
近日，许为钢院士团队在The Crop Journal在线发表了题为“Single-cell nuclear transcriptomics reveal root tip adaptations to nitrogen scarcity in wheat”的研究论文。该研究为全面了解小麦根对不同氮供应的细胞反应机制，以氮素高效利用型小麦品种郑麦1860为模型，对根尖进行单核RNA测序（snRNA-seq），构建了一个全面的响应氮素水平的单细胞转录组图谱以及转录调控网络。
研究团队采用snRNA-seq技术来解决传统原生质体分离可能导致的基因表达变异问题。通过高维聚类分析和细胞类型注释，成功区分并标记了13个具有生物学意义的细胞群，并识别出与具体细胞功能强相关的标记基因。在氮饥饿条件下，研究发现特定细胞群体的比例发生了明显变化，表皮细胞（epidermal cell，EC）群体的比例显著增加了3.71%，对氮敏感的不同细胞类型呈现了多样化的反应方式。功能注释和富集分析表明，EC主要参与肌醇生物合成等多种生物过程；KEGG通路富集分析揭示了EC在丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸等代谢中扮演重要角色。
TaGS1.2（谷氨酰胺合成酶基因 -1.2 ）在氮代谢途径中显著富集，表明 EC 参与了氮饥饿反应和硝酸盐的利用。 hdWGCNA 分析显示，蓝色模块代表的基因集与氮利用密切相关，且在氮饥饿条件下与 EC 显著相关。氮饥饿后，蓝色模块中大多数基因表达显著增加，原位杂交实验也发现氮饥饿时表皮细胞中TaGS1.2表达上调，这凸显了 EC 在根尖细胞氮代谢中的关键作用。在氮缺乏条件下， EC 中上调的转录因子主要属于 bHLH 、 MYB 等家族。转录分子相互作用分析表明，TaGS1.2受到 IRO2 、 MYB59 等转录因子的共同调控，在氮利用相互作用网络中处于核心地位。利用 PlantPhoneDB 数据库研究发现，氮饥饿条件下， EC 与多种其他细胞之间的信号交换显著增强。主要通过 Hsp90-WAK1 和 UBQ1-WAK1 配体与受体的信号交互，推测这种信号交换有利于 EC 的发育。通过 BSMV-VIGS 技术瞬时沉默TaGS1.2-4D基因，揭示了该基因对氮的响应性以及与根系发育的关系。
图1 小麦根尖单细胞图谱及不同细胞群对氮浓度的异质性响应
图2 对照组与N-饥饿条件下hdWGCNA分析
图3 对照组与N-饥饿条件下EC与其他细胞群体间细胞通讯差异的比较
作者和基金项目
西北农林科技大学与河南省农业科学院联合培养博士研究生海闯北为该文第一作者，河南省农业科学院许为钢院士为通信作者。河南省农业科学院李艳研究员和彭超军副研究员参与了该工作，胡琳研究员提供了重要指导。该研究得到国家重点研发计划（2022YFD1200204）、河南省科技研发计划联合基金（222301420025）及神农实验室“一流课题”（SN01-2022-01）等项目的资助。
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