豆科作物與根瘤菌的共生固氮體系，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的天然氮源。這一體系的核心器官——根瘤的功能已得到廣泛研究。在共生固氮過程中，根瘤菌固定的氮會輸送給宿主植物，以此換取宿主植物提供的碳源和必需的礦質(zhì)養(yǎng)分。根瘤的壽命只有10-12周，受自然衰老與環(huán)境脅迫共同調(diào)控。因此，深入解析根瘤的衰老機制，并延緩這一進程，可以為化肥減施提供潛在策略。

近期，中國科學(xué)院南京土壤研究所陳志長課題組在Nature Communications雜志上發(fā)表了題為Maintaining sulfur supply to the symbiosome delays nodule senescence in soybean的研究論文，揭示了由硫轉(zhuǎn)運蛋白（SULTR）介導(dǎo)的硫輸入是調(diào)節(jié)根瘤衰老的關(guān)鍵步驟，為通過延長根瘤壽命來提高豆科植物的共生固氮效率提供了新策略。

該課題組之前研究發(fā)現(xiàn)，高氮會阻止鐵元素從根瘤非侵染細胞向共生體的轉(zhuǎn)運（Nature Communications, 2024）。除了鐵之外，離子組學(xué)測定發(fā)現(xiàn)，共生體中的硫、鉬、鎂、鉀和磷等元素也出現(xiàn)了不同程度的減少，其中硫的下降程度最高（圖1a-b）。隨著高氮處理時間的延長，根瘤中硫含量呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢（圖1c-d）。在缺硫的條件下，高氮脅迫對根瘤共生固氮的抑制作用隨時間推移逐漸增強（圖1e），并伴隨著根瘤顏色由紅色向綠色的轉(zhuǎn)變，該現(xiàn)象通常指示根瘤的衰老（圖1f）。這些結(jié)果表明，硫元素在高氮誘導(dǎo)的根瘤衰老過程中具有關(guān)鍵調(diào)控作用。

圖1. 硫參與根瘤的衰老過程

此外，本研究發(fā)現(xiàn)了兩對在根瘤中特異性高表達的硫轉(zhuǎn)運蛋白基因SULTR2;1a&2;1b與SULTR3;5a&3;5b，他們分別負(fù)責(zé)硫酸鹽向根瘤的侵染細胞和共生體中轉(zhuǎn)運。在雙敲除突變體sultr2;1ab和sultr3;5ab中，根瘤固氮能力出現(xiàn)顯著缺陷，同時根瘤固氮區(qū)均呈綠色（圖2）。進一步研究表明，這些突變體中谷胱甘肽水平顯著下降。這種下降削弱了根瘤清除活性氮的能力，從而加速了根瘤衰老的進程。值得注意的是，通過基因操作手段降低根瘤菌中活性氮的產(chǎn)生或增加大豆根瘤中的硫輸入，可以有效緩解高氮誘導(dǎo)的根瘤衰老。

圖2. SULTR介導(dǎo)的硫轉(zhuǎn)運調(diào)控根瘤衰老

綜上所述，該研究系統(tǒng)闡明了硫轉(zhuǎn)運、活性氮與根瘤衰老之間的內(nèi)在聯(lián)系，為通過遺傳改良手段延長根瘤壽命、提升大豆共生固氮效率提供了新的理論依據(jù)與育種策略。

中國科學(xué)院南京土壤研究所陳志長研究員為本文的通訊作者，該課題組和福建農(nóng)林大學(xué)的聯(lián)合培養(yǎng)博士生李圓以及已畢業(yè)碩士生聶苗苗和李丹妮為論文共同第一作者。中國科學(xué)院南京土壤研究所沈仁芳研究員參與了這項研究。同時，該研究在材料和技術(shù)方面也得到了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)端木德強、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)焦健以及寧波大學(xué)的毛倩卓等科研人員的幫助和支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64708-0