近日，西北农林科技大学草业与草原学院刘金隆副教授在环境领域顶级期刊《Journal of Hazardous Materials》发表了题为“Rhizobium Symbiosis Modulates the Accumulation of Arsenic in Medicagotruncatula via Nitrogen and NRT3.1-like Genes Regulated by ABA and Linalool”的研究论文。草业学院硕士生叶辽辽、杨培志副教授和本科毕业生曾引伟为本论文共同第一作者，草业学院刘金隆副教授、生命学院青年教师高会玲博士和南京农业大学郑青松副教授为论文共同通讯作者。
砷污染已是一个全球性的问题。砷作为I类致癌物质，易被植物吸收并在可食部位累积，进而通过食物链威胁到人类健康。该研究发现根瘤菌-根系共生可以显著增强豆科植物蒺藜苜蓿的耐砷酸盐能力，其中一种野生中华苜蓿根瘤菌Rm5038可以显著降低植物地上部位砷的累积。砷酸盐是有氧土壤中无机砷的主要存在形态，它被公认为磷酸盐的类似物，因此很容易通过质膜磷转运体PHT1家族成员进入植物体内，而外源施加磷也往往能够拮抗砷酸盐毒害并降低砷的累积。氮、磷和砷同属VA族元素，该研究首次发现氮也能够像磷一样拮抗砷酸盐对植物的毒害并降低砷的吸收累积，而且硝酸根转运体nrt3.1突变体也能够像磷酸根转运体pht1.1突变体一样对砷酸盐胁迫耐受并累积更少的砷。蒺藜苜蓿NRT3.1相似基因NRT3.1L1能够成功回补拟南芥nrt3.1突变体砷酸盐耐受的表型。在砷酸盐胁迫下，Rm5038共生能够显著增加植物地上部位中的氮和显著降低根中NRT3.1Ls的表达，这有利于降低砷在植物体内的累积。
通过aba2-1、pyr1/pyl1/2/4/5/8六突变体和abi1-2/abi2-2/hab1-1/pp2ca-1四突变体，该研究首次为ABA信号调控植物耐砷酸盐能力提供了遗传学证据。此外，研究还发现与ABA同属萜类的芳樟醇也能调控植物的耐砷性。ABA和芳樟醇都能够促进NRT3.1Ls的表达，然而它们的生物合成均受NH4+的抑制，而NH3是根瘤固氮过程中首先形成的氮素形态，由此揭示了根瘤菌共生降低NRT3.1Ls表达的信号通路。另外，根瘤共生过程中可能还存在着除NH4+以外的其它未知信号途径能够促进地上部位中ABA和根中芳樟醇的生物合成，然后抑制除NRT3.1外的其它硝酸根转运体基因NRTs的表达，以减少植物中的砷积累。
综上结果表明，根瘤菌共生能够通过氮以及ABA和芳樟醇对NRT3.1Ls的调控作用调控砷在宿主植物体内的累积。该研究不仅揭示了根瘤共生调控豆科植物砷累积的分子机制，而且指出合适的根瘤菌菌株对于降低豆科植物中的砷积累至关重要，并认为硝酸根转运体、ABA信号转导和芳樟醇生物合成相关基因可以成为未来低砷作物分子育种的新的遗传目标。
该研究得到国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、中国博士后科学基金和中央高校基本科研业务费等项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125611
日期：2021-03-22
