摘要：为保障粮食稳产，合成氮肥在农业生产中被广泛应用。然而，合成氮肥的大规模生产和使用引发了严重的环境问题。因此，探寻环保高效的氮肥替代技术，对实现农业可持续发展至关重要。存在于豆科植物根瘤的共生固氮为解决这一问题提供了方案。当土壤缺氮时，豆科植物会与具有固氮功能的
为保障粮食稳产，合成氮肥在农业生产中被广泛应用。然而，合成氮肥的大规模生产和使用引发了严重的环境问题。因此，探寻环保高效的氮肥替代技术，对实现农业可持续发展至关重要。存在于豆科植物根瘤的共生固氮为解决这一问题提供了方案。当土壤缺氮时，豆科植物会与具有固氮功能的根瘤菌建立共生关系。根瘤菌通过内吞进入植物细胞，二者形成共生体。借助共生体通道蛋白，植物可以为根瘤菌提供生长所需养分，根瘤菌则回馈给植物氮素。这种机制使得豆科作物对氮肥的需求远低于其他作物。为更好地利用共生固氮机制，科学家们采用多元化的方法来解析根瘤发育的机理，其中，组学技术凭借其高通量的数据产出能力，发挥了关键作用。
近日，中国农业科学院农业基因组研究所黄三文院士团队在aBIOTECH发表了题为“Harnessing omics to decode the mechanisms of symbiotic nitrogen fixation” 的综述论文，系统总结了组学技术在揭示共生固氮机制中的应用（图1）。
论文首先以模式豆科植物为例，介绍了基因组学如何为生物学研究提供遗传信息，并指出基因组是功能研究和其他组学研究的基础框架。同时，阐述了利用比较基因组学研究固氮分支起源的进展，包括多起源假说和多次丢失假说的背景、证据及优缺点，并指出随着测序技术的进步和成本的降低，更多物种的基因组将被揭示，有望为固氮分支起源提供更准确的答案。
随后，作者聚焦于转录调控层面，阐述了转录组与表观组在共生固氮领域的运用及关键发现。其中特别介绍了近年来兴起的单细胞测序和空间转录组技术的应用。在共生固氮过程中，根瘤菌共生的侵染细胞有着特别的转录调控过程，而这些先进的技术手段能精确区分不同组织细胞类型的转录组特征，为理解侵染细胞的特性提供强有力的支持。
图1 组学技术助力解析共生固氮核心科学问题
最后，作者展望未来，提出随着组学技术的发展，通过结合AI与基因编辑技术等先进手段，有望将共生固氮能力拓展至非豆科作物，推动可持续农业的变革。
中国农业科学院农业基因组研究所黄三文院士和叶柯邑副研究员为论文共同通讯作者，叶柯邑副研究员、郑建树副研究员、董兆年博士和王帅帅博士后为共同第一作者。研究工作得到了深圳市优秀人才培养基金资助。
引用本文：
Ye, K., Zheng, J., Dong, Z. et al. Harnessing omics to decode the mechanisms of symbiotic nitrogen fixation.aBIOTECH (2025). https://doi.org/10.1007/s42994-025-00208-5
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Editors-in-Chief:
Prof. Sanwen Huang
Prof. William John Lucas
2023 IF 4.6
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