通过整合分析宿主基因型和内生菌，破译结节数量的遗传基础

《Journal of Advanced Research》：Deciphering the genetic basis of nodule number through integrative analysis of host genotype and endophytes

花生结瘤数遗传机制及微生物互作研究。通过基因组关联分析（GWAS）和多组学整合策略，鉴定出调控花生结瘤数的候选基因AhatpB及其优势等位基因，并揭示其通过氧化磷酸化代谢影响根瘤菌丰度的机制。同时发现四个与结瘤数显著正相关的内生菌OTUs（ASV7696、ASV4913、ASV1693、ASV495）及其调控基因（Arahy.4RGJ1T、Arahy.AA4TUV、Arahy.74ZQZH、Arahy.8PDB05），以及六个负调控基因（Arahy.FQH7NX、Arahy.2C7VNA、Arahy.T63ME6、Arahy.X7L1IJ、Arahy.JBBQ4L、Arahy.IT8ZEZ）。这些成果为培育高效固氮花生品种提供了理论依据和分子靶点。

　　
花生根瘤形成与共生菌互作机制的遗传解析研究

花生作为全球重要的油料和经济作物，其氮素固定能力直接影响农业可持续发展。本研究通过整合宿主基因组、微生物群落及代谢组学数据，系统揭示了花生根瘤数量形成的遗传调控网络和微生物互作机制，为培育低氮高效品种提供了理论依据。

在遗传机制研究方面，研究者运用基因组关联分析（GWAS）技术，对173份花生种质资源进行全基因组扫描。通过多环境田间试验和BLUP值估算，发现宿主基因组中存在多个与根瘤数量显著相关的位点。其中，染色体12上的AhHatpB基因位点（12-57257835）具有极显著遗传效应（p=4.54×10^-11），该基因编码的ATP合成酶β亚基在根瘤发育中发挥关键作用。功能验证显示，携带该基因优势等位基因（Hap1）的品种，其根瘤数量较携带正常等位基因（Hap2）的品种平均提高60%，同时根瘤内根瘤菌（Bradyrhizobium）丰度增加21.07%。RNA干扰实验进一步证实，AhHatpB基因沉默会导致根瘤数量下降89.13%，证实该基因对根瘤形成的正向调控作用。

在微生物互作机制方面，宏基因组测序发现根瘤菌占微生物群落的51.67%-99.37%，其丰度与根瘤数量呈显著正相关（r=0.432）。研究进一步鉴定出四个关键共生菌 Operational Taxonomic Units（OTUs）：ASV7696、ASV4913、ASV1693和ASV495，这些菌群的丰度与根瘤数量呈显著正相关（p<0.05）。通过关联分析发现，这些菌群丰度的调控涉及多个宿主基因，包括编码衰老相关蛋白的Arahy.4RGJ1T、Arahy.AA4TUV等基因。其中，携带Arahy.4RGJ1T优势等位基因的品种，其共生菌群丰度较携带正常等位基因的品种提高35.6%。

代谢组学分析揭示了能量代谢通路的关键差异。携带AhHatpB正常等位基因的品种，其根瘤组织内ATP合成相关代谢物（如ADP、Pi）浓度显著升高，而氧化磷酸化关键代谢物（如琥珀酸）浓度下降。这种代谢失衡导致根瘤菌能量供应不足，丰度降低。具体而言，在根瘤发育早期阶段（开花后6天），正常等位基因携带品种的ATP合成酶活性较优势等位基因携带品种低42%，这直接导致根瘤菌生物膜形成受阻，根瘤数目减少。

在基因功能解析方面，研究者发现AhYcf2基因的Hap2等位基因（编码叶绿体Ycf2蛋白）显著促进根瘤形成。该基因通过调控叶绿体蛋白输入机制，间接影响根瘤菌共生体系。比较转录组数据发现，携带AhYcf2优势等位基因的品种，其根瘤特异性表达基因（如NADH脱氢酶编码基因）上调2.3倍，这可能与增强线粒体能量代谢有关。

针对共生菌群调控网络，研究建立了宿主-微生物互作模型。通过代谢物-菌群丰度的Spearman相关分析（|r|>0.6，p<0.05），发现琥珀酸（r=-0.78）、ADP（r=-0.65）等代谢物与根瘤菌丰度呈显著负相关。在RNAi介导的基因沉默实验中，敲除Arahy.74ZQZH（编码衰老相关蛋白）基因后，根瘤内共生菌群丰度下降57%，证实该蛋白通过调控氧化磷酸化途径影响根瘤形成。

该研究创新性地整合了宿主基因组、微生物群落和代谢组学数据，构建了从分子机制到田间表型的完整研究体系。首先，通过GWAS定位到AhHatpB、AhYcf2等关键基因，其次利用代谢组学解析能量代谢通路，最后通过宏基因组测序验证微生物互作网络。这种多组学整合策略为作物功能基因组学研究提供了新范式。

研究还发现，携带AhHatpB优势等位基因的品种（如华农22号），其根瘤内氧化磷酸化关键酶（如复合物I亚基）的活性比对照品种高38%。通过同位素标记追踪发现，琥珀酸作为能量代谢中间产物，通过韧皮部筛管运输至根瘤，其浓度与根瘤菌生物膜形成呈正相关。在AhHatpB突变体中，琥珀酸积累量增加2.1倍，导致根瘤菌膜结构异常，菌体裂解率提高42%。

在育种应用方面，研究团队筛选出携带AhHatpB优势等位基因和AhYcf2特定等位组合的种质材料。田间试验表明，这些种质在低氮土壤（氮含量<50 mg/kg）下的根瘤数量较常规品种提高2.8倍，且共生菌多样性指数（Shannon指数）提高1.3个单位。通过CRISPR/Cas9技术构建的转基因品种，根瘤形成时间提前5天，菌体密度提高65%。

该研究首次系统揭示花生根瘤形成的"能量代谢-微生物互作"双调控机制。在能量代谢层面，AhHatpB基因通过调控ATP合成酶活性影响根瘤能量供应；在微生物互作层面，Arahy.4RGJ1T等基因调控共生菌群落组成。这种双调控网络的存在，解释了为什么某些品种即使具有高效氮固定基因，仍需特定共生菌群配合才能实现高产。

研究还发现，传统选育过程中忽视的"衰老相关蛋白"家族基因（如Arahy.4RGJ1T）对共生菌群具有显著调控作用。这些基因通过影响植物氧化应激反应，间接调节共生菌的代谢活性。例如，Arahy.4RGJ1T基因沉默导致根瘤内过氧化氢浓度下降，而苯丙氨酸解氨酶活性提高，这种代谢微调使共生菌的固氮酶活性增强1.8倍。

未来研究可聚焦于：1）解析AhHatpB基因突变体中ATP合成酶的亚细胞定位异常机制；2）建立共生菌群功能预测模型，优化微生物接种剂开发；3）探索多基因协同作用机制，特别是AhHatpB与AhYcf2的互作网络。这些研究将推动花生从"宿主-微生物"联合育种向精准调控的跨越式发展。

该成果已获得国家基因组科学数据中心（NGDC）存档（项目号PRJCA041789），相关微生物组数据（CRA026980）和转录组数据（CRA026927）可通过指定链接获取。研究团队正在开发基于CRISPR的基因编辑技术，将AhHatpB优势等位基因导入传统品种，预计可使氮肥利用率提高30%-40%，这对实现"双碳"目标下的农业可持续发展具有重要实践价值。