豆科植物可與根瘤菌共生形成根瘤，將大氣中的氮氣（N?）轉(zhuǎn)化為植物可直接利用的氨態(tài)氮，是自然界高效綠色的氮素利用途徑，也是減少化學(xué)氮肥施用、推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵突破口。根瘤的有序發(fā)育是根瘤菌與豆科宿主植物實現(xiàn)互利共生的核心生物學(xué)過程。生長素作為經(jīng)典植物激素，參與根瘤的發(fā)生和器官建立。部分根瘤菌可合成高濃度生長素，但這種微生物源信號如何被宿主感知并協(xié)調(diào)結(jié)瘤固氮，其分子機制此前未得到明確解析。

近日，福建農(nóng)林大學(xué)海峽聯(lián)合研究院代謝組學(xué)研究中心陳栩教授團隊在The Plant Cell在線發(fā)表了題為Rhizobial auxin activates transcription factors to orchestrate YUC2-dependent auxin biosynthesis for soybean nodule development的研究論文，揭示了一條不依賴于傳統(tǒng)結(jié)瘤因子的新途徑，闡明根瘤菌產(chǎn)生的生長素可直接激活宿主大豆的生長素合成響應(yīng)，在根瘤發(fā)生、根瘤菌定殖和根瘤成熟固氮三個階段精準調(diào)控共生的分子機制。

研究團隊發(fā)現(xiàn)不同根瘤菌屬存在差異百倍的生長素分泌能力，其中Bradyrhizobium elkanii相對于Bradyrhizobium diazoefficiens的生長素合成濃度升高200-1000倍。通過基因工程改造根瘤菌株的生長素合成途徑，突變后的高生長素型根瘤菌顯著促進大豆根瘤密度、提升總固氮酶活性，但單個根瘤體積減小、單位根瘤固氮酶活性下降。該結(jié)果明確了根瘤菌源生長素對根瘤發(fā)育的時空特異性調(diào)控特征。

研究表明，根瘤菌源生長素可直接激活植物體內(nèi)YUC2介導(dǎo)的生長素合成途徑，進而調(diào)控根瘤在各發(fā)育時期的進程。為明確該調(diào)控機制的空間特異性，研究構(gòu)建了不同細胞層面啟動子驅(qū)動的生長素特異性表達體系。結(jié)果顯示：當YUC2在皮層細胞特異高表達時，根瘤原基密度顯著升高；然而，高水平生長素同時抑制了根瘤原基中根瘤菌的定殖，導(dǎo)致根瘤無法正常膨大和固氮。相反，基因編輯獲得的YUC2a/b雙突變體（yuc2ab）則表現(xiàn)出根瘤數(shù)量減少的表型，且對根瘤菌源生長素誘導(dǎo)的根瘤密度增加不敏感。綜上，皮層細胞是根瘤菌源生長素信號的核心響應(yīng)位點，其通過高濃度生長素促進根瘤發(fā)生，但過量生長素又會抑制根瘤菌定殖，從而揭示了生長素信號在根瘤發(fā)育中的空間特異性調(diào)控機制。

通過酵母單雜交篩選和共表達網(wǎng)絡(luò)分析，研究發(fā)現(xiàn)NF-YA9、LBD41、NIN1a三類轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同構(gòu)成具有時空特異性的調(diào)控模塊，精準調(diào)控生長素合成基因YUC2a的表達：①NF-YA9：在根瘤原基早期激活YUC2a表達，啟動原基形成；②LBD41：在根瘤菌定殖階段抑制YUC2a表達，為根瘤菌定殖創(chuàng)造條件；③NIN1a：在根瘤成熟期特異性激活YUC2a，保障菌區(qū)形成。三類轉(zhuǎn)錄因子均受根瘤菌源生長素調(diào)控，形成“先促后抑再揚”的時空振蕩模式，通過生長素梯度變化精準調(diào)控根瘤原基起始、根瘤菌定殖和根瘤成熟三大關(guān)鍵階段，保障根瘤有序高效發(fā)育。

該研究創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)根瘤菌可通過分泌生長素激活宿主局部生長素合成，建立了不依賴經(jīng)典Nod因子的結(jié)瘤啟動新途徑；首次闡明根瘤菌源生長素依賴YUC2a介導(dǎo)的生長素合成調(diào)控大豆根瘤發(fā)育的分子機制；揭示了根瘤發(fā)育過程中生長素濃度“先促后抑再揚”的時空振蕩模式是根瘤有序高效發(fā)育的核心保障。研究為解析植物與微生物共生的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供全新視角與理論依據(jù)，更為培育高效固氮豆科作物、降低化學(xué)氮肥施用強度、推動綠色低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定重要理論基礎(chǔ)。

The Plant Cell雜志同期發(fā)表In Brief評述，重點介紹該文，并指出該研究提供有力的遺傳證據(jù)，為工程化菌株的塑造以及更高效的固氮作物改良提供了藍圖，有可能減少全球農(nóng)業(yè)對合成肥料的依賴。

福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后陳超凡、已畢業(yè)碩士研究生吳勝偉為該文章第一作者，福建農(nóng)林大學(xué)陳栩教授為該文章通訊作者。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)辛大偉教授參與了合作研究。福建農(nóng)林大學(xué)廖紅教授、鐘永嘉教授，中國科學(xué)院南京土壤研究所陳志長研究員，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)田長富教授，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心謝芳研究員提供了寶貴的實驗材料。該研究得到了國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新聯(lián)合基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃、農(nóng)林生物安全全國重點實驗室聯(lián)合攻關(guān)項目、植物保護一流培優(yōu)學(xué)科群經(jīng)費、中國博士后科學(xué)基金會博士后資助項目、國家自然科學(xué)基金和福建省自然科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koag104