科研进展

Science | 河南大学王学路团队在豆科共生固氮领域取得突破性进展！
————揭示了为什么共生结瘤固氮需要光的机制，为设计在暗处也可以共生固氮的植物提供了独特手段

共生固氮是自然界生物可用氮的最大自然来源，影响农业和自然生态系统的生物量和碳沉积。豆科植物进化出根瘤使得根瘤菌在其中进行共生固氮，这是一个高耗能的过程，研究表明即使提供足够的光合产物，如果没有光，豆科植物也不能共生固氮，但是，为什么光合产物和光信号对于豆科植物根瘤发育和共生固氮都是必须的，一直是豆科植物共生固氮领域的未解之谜。

2021年10月1日，河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室王学路团队在Science上发表了题为Light-induced mobile factors from shoots regulate rhizobium-triggered soybean root nodulation的研究论文，揭示了大豆中受光诱导表达的GmFTs（FLOWERING LOCUS T）和GmSTF3/4（orthologs of LONG HYPOCOTYL 5）从地上移动到地下，在根中被根瘤菌激活的共生信号关键组分CCaMK磷酸化激活，诱导根瘤形成的机制。

该研究首先设计了一系列精巧的实验，证明光合产物和光信号在调控共生结瘤过程中的作用不同，光合产物是促进根瘤菌侵染植物所必需的，但是来自地上的光信号是促进大豆地下根瘤发育的关键因子。作者鉴定了大豆中受光诱导的蛋白GmFTs和GmSTF3/4，从地上移动到地下，在根中相互依赖促进根瘤形成。并进一步通过质谱、分子生化和遗传分析证明共生信号通路关键组分CCaMK被根瘤菌激活后通过磷酸化GmSTF3/4，促进GmSTF3/4和GmFTs互作。GmFTs-GmSTF3/4能够直接激活根瘤起始关键基因NIN、NF-YA1和NF-YB1的转录，从而调控根瘤形成。

综上，该研究揭示了CCaMK-STF-FT模块整合地上光信号和地下共生固氮信号，调控根瘤形成的机制。该机制使宿主植物的根能够感知地上环境是否能可持续地为地下共生固氮提供必需能量，从而开启根部共生结瘤。该研究揭示了植物地上-地下协同发育的新机制，为设计在暗处也可以共生固氮的新型植物提供了关键技术手段，为优化生物圈碳-氮平衡提供了新思路。

河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室王学路教授和孙世勇教授为该论文的通讯作者，王学路教授团队的王涛博士为第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、科技部国家重大科学研究计划以及河南大学经费的支持。

王学路教授团队长期从事植物遗传学、植物激素信号转导、菌植互作以及与逆境互作，调控植物生长发育的研究。最近，在河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室组建“生物固氮和豆科生物学”团队，以大豆为主要研究对象，研究菌植互作的遗传、发育、分子和进化机制，并开展豆科作物（大豆和花生）品种分子设计。近期该团队在大豆与根瘤菌匹配性进化的遗传与分子机制，以及非生物逆境调控大豆-根瘤菌共生固氮的分子机制方面取得了一系列重要进展。

论文链接：DOI: 10.1126/science.abh2890