豆科植物能通过与根瘤菌互作形成根瘤进行共生固氮。据估算，豆科植物共生固氮占全球生物固氮总量的60-70%。因此，研究豆科植物共生固氮的分子机制，提高共生固氮效率，对实现减肥增效、发展绿色农业具有重要意义。豆科植物的共生固氮效率受根瘤菌匹配性以及非生物逆境的影响，但是长期以来，其遗传和分子调控机制知之甚少。近期河南大学王学路教授团队先后在国际顶尖期刊Nature Plants 和Molecular Plant上发表重要研究论文，揭示了大豆与根瘤菌共生固氮的分子进化机制以及逆境适应机制的系列研究具有重要的理论意义，也为大豆高效固氮的分子设计育种提供了重要目标基因。
2021年1月15日，河南大学王学路教授团队和华中农业大学李友国教授合作在Nature Plants上发表了题为“Glycine max NNL1 restricts symbiotic compatibility with bradyrhizobia via root hair infection in soybean”的研究论文（doi : 10.1038/s41477-020-00832-7），揭示了大豆与根瘤菌共进化过程中根瘤菌由裂隙侵染向根毛侵染方式转变的遗传、分子和进化机制。研究人员首先构建了来自于世界各地的496份大豆核心种质自然变异群体；再根据接种慢生型根瘤菌后根瘤数目的表型，进一步通过全基因组关联分析结合遗传分析和分子生物学的方法，定位并证明了一个编码TIR-NBS-LRR蛋白的R基因（命名为GmNNL1，Nodule Number Locus 1）能够限制根瘤菌侵染大豆，降低大豆的根瘤数目。进一步分析发现，在大豆的自然选择、人工驯化以及与根瘤菌的共进化过程中，一类GmSINE1转座子的插入导致了该基因功能失活，使其只能编码截短形式的GmNNL1蛋白，从而促进了大豆对土壤中土著根瘤菌的识别，增加了大豆根瘤数量，进而显著提高了大豆单株固氮酶活以及地上部分生物量。GmNNL1主要在根毛中受根瘤菌诱导表达并主要影响根瘤菌的根毛侵染途径，而具有转座子插入的GmNNL1失活单倍型的出现，是导致根瘤菌侵染大豆由裂缝侵染向根毛侵染转变的重要原因。进一步通过质谱鉴定、生化和遗传分析发现，全长的GmNNL1蛋白通过与根瘤菌的三型分泌系统效应蛋白NopP直接相互作用激活ETI从而抑制大豆与根瘤菌的共生。该研究不仅揭示了大豆与根瘤菌互作过程中宿主与寄主匹配性的遗传和分子机制，还阐释了根瘤菌与大豆共进化过程中根瘤菌由裂缝侵染演化成高效的根毛侵染过程的重大分子事件，也为大豆高效固氮的分子设计育种提供了重要理论依据和目标基因。
GmNNL1的功能缺失导致根瘤菌由裂隙侵染向根毛侵染转变的模式图
2020年12月21日，王学路教授团队在Molecular Plant上发表了题为“GSK3-Mediated Stress Signaling Inhibits Legume–Rhizobium Symbiosis by Phosphorylating GmNSP1 in Soybean”的研究论文（doi:10.1016/j.molp.2020.12.015），揭示了大豆中GSK3蛋白激酶磷酸化共生关键转录因子NSP1，从而介导盐胁迫抑制豆科植物-根瘤菌共生的分子机制。该研究首次揭示了糖原合成酶激酶3（glycogen synthase kinase 3, GSK3）家族基因在盐胁迫抑制大豆共生信号和根瘤形成过程中起重要作用。研究结果表明，大豆GSK3家族第二亚家族的GmSK2-8的表达受高盐胁迫和接种根瘤菌诱导并能负调控早期根瘤菌侵染、根瘤原基发育和共生响应基因的表达，从而调控大豆根瘤形成。质谱和生化分析证实GmSK2-8能与共生信号途径中的关键转录因子GmNSP1相互作用，并通过磷酸化GmNSP1从而抑制共生基因的表达。遗传分析证明，盐胁迫是可以通过GSK2-8-NSP1调控根瘤形成。该研究揭示了盐胁迫调控豆科植物结瘤固氮的分子机制，为改善大豆等豆科植物在非生物逆境胁迫条件下的共生固氮、提高固氮效率有重要应用前景。
盐胁迫条件下GmSK2-8磷酸化NSP1抑制豆科植物-根瘤菌共生的模式图
河南大学王学路教授为两篇论文的通讯作者，华中农业大学李友国教授为Nature Plants论文的共同通讯作者；张豹为Nature Plants的第一作者，何春梅为Molecular Plant论文的第一作者；河北省农科院张孟臣研究员团队等参与了Nature Plants论文的研究。这两项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及河南大学经费的支持。
王学路教授团队长期从事植物激素信号转导及其与逆境互作调控植物生长发育的机制研究。近期，王学路教授团队围绕研究方向，取得了系列创新性研究进展，发现了植物激素独脚金内酯和油菜素甾醇调控植物分枝的信号转导途径（Molecular Plant, 2020; Plant Communications, 2020），并建立了油菜素甾醇调控叶片夹角发育的时空转录调控网络（iScience, 2020; New Phytologist, 2020）以及根分生组织细胞分化的细胞和分子机制（Journal of Integrative Plant Biology, 2020）。王学路教授在河南大学省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室组建了“生物固氮和豆科生物学”团队，以豆科作物为主要研究对象，研究菌植互作的遗传、发育、分子和进化机制，以及豆科作物重要农艺性状的发育和分子机制，并开展豆科作物品种分子设计。关于河南大学王学路教授“生物固氮和豆科生物学”团队的更多信息，欢迎访问http://legumelab.com/。
日期：2021-01-25
