豆科植物與根瘤菌的共生關系依賴于植物與根瘤菌之間復雜的分子信號交換過程。二者接觸后會觸發(fā)起始共生信號轉導，然而共生信號從膜受體傳遞至下游的分子機制尚不清楚。
近日，《當代生物學》在線發(fā)表了中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究員王二濤研究組的最新成果，他們以大豆為研究對象，揭示了根瘤共生的起始信號向下游傳遞的新機制。
研究大豆根瘤共生機制不容易
豆科植物，如大豆、花生、苜蓿等，是重要的農作物和經(jīng)濟作物，直接或間接為人類提供豐富的營養(yǎng)物質。
此外，豆科植物在生態(tài)系統(tǒng)中也發(fā)揮著至關重要的作用。它們通過與土壤中的固氮根瘤菌共生，進而將空氣中游離的氮固定轉化為可被自身利用的含氮化合物。
這種固氮作用是以豆科為代表的植物的“獨門絕技”?？茖W家一直想搞清楚其背后機制，以期應用到其他不具備天然固氮作用的作物上。
然而研究豆科植物根瘤共生的固氮作用，往往集中于模式植物百脈根和蒺藜苜蓿，對豆科最重要的作物大豆的研究相對較少。
這是因為“大豆是古四倍體，基因組較大，所含的基因較多，遺傳操作較困難，對其進行研究耗時耗力”。論文通訊作者王二濤告訴《中國科學報》，豆科植物細胞膜上的類受體激酶NFR1和NFR5可以識別根瘤菌分泌的結瘤因子，激發(fā)起始共生信號轉導。
“但是，共生信號從膜受體傳遞至下游的分子機制尚不清楚。”論文第一作者高錦鵬對《中國科學報》說，要研究下游調控機制就必須依賴分子層面的遺傳學操作，選擇復雜基因組的大豆必然有難度。
我國是大豆原產(chǎn)國，從3000多年前的周朝就開始大規(guī)模種植大豆。但近些年大豆嚴重依賴于國外進口。高錦鵬說，為了保障未來我國農業(yè)和糧食的安全，在科技部和農業(yè)農村部等支持下，越來越多的科研工作者開始對大豆進行研究。
盡管王二濤團隊前期沒有大豆遺傳轉化技術和平臺，但還是選擇大豆為研究對象進行根瘤菌共生的實驗，他們通過與多個實驗室學習合作，克服困難，最終順利開展大豆遺傳實驗。
共生信號如何向下游傳遞
高錦鵬告訴《中國科學報》，ROP是植物中特有的一類小G蛋白，其作為分子開關可以調控植物生長發(fā)育中的許多過程。一些研究已經(jīng)表明，ROP參與了根瘤菌侵染豆科植物和根瘤形成等共生事件。
因此，他們的研究就圍繞ROP相關的分子過程展開。
高錦鵬介紹，ROP的激活受到上游鳥苷酸交換因子GEF的精細調控。而鳥苷酸交換因子GEF能夠接收由類受體激酶NFR1和NFR5激發(fā)的起始共生信號。
他們利用大豆ROP轉基因根系，接觸根瘤菌處理6小時后進行了活性檢測。結果發(fā)現(xiàn)，活性形式的ROP增多。“這提供了ROP被根瘤菌信號直接激活的證據(jù)，表明ROP在大豆共生過程中有重要作用。”高錦鵬說。
原來，受體蛋白NFR1和NFR5感知根瘤菌的信號后，可以磷酸化鳥苷酸交換因子GEF，這讓一直處于自抑制狀態(tài)的GEF活化，從而催化了ROP的活性，使活化狀態(tài)的ROP增多。
活化的ROP就可以激活其他蛋白來傳遞共生信號。“如果沒有GEF和ROP，大豆共生結瘤會受到顯著的抑制。”高錦鵬說。
他們還發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：活性狀態(tài)的ROP又可以與類受體激酶NFR1和NFR5以及支架蛋白RACK1形成復合體，一起傳遞共生信號。
“這暗示著ROP可以增強NFR1和NFR5向下游傳遞信號的能力。同時，其他研究發(fā)現(xiàn)，支架蛋白RACK1可以與很多蛋白相互作用，這也暗示著共生信號可能通過支架蛋白傳遞給那些相互作用的蛋白，擴大共生信號。”高錦鵬說，但后續(xù)的信號傳遞機制還不清楚。
“我們的研究首次報道了大豆中的GEF、ROP、RACK1這些基因，初步解析了這些基因在大豆根瘤菌共生信號中的作用，揭示了根瘤共生信號從細胞膜受體傳遞至下游的新機制。”高錦鵬說。
王二濤強調，大豆與根瘤菌共生互作十分復雜，只有完全理解共生信號通路，才有可能更好地利用大豆根瘤菌共生這個得天獨厚的優(yōu)勢，實現(xiàn)作物高效生物固氮，少施化肥。進而在少施化肥的前提下，提高我國大豆的產(chǎn)量和質量，促進我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，保證糧食安全。
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