微生物所孔照勝研究組揭示苜蓿感知環境氮素濃度變化精細調控共生...

2020-12-03 中國科學院微生物所

根瘤菌能夠侵染豆科植物並誘導根皮層分裂形成共生根瘤，根瘤菌在根瘤共生細胞中形成類菌體將空氣中的氮氣轉化為供宿主植物直接利用的氨態氮，上述氮轉換作用稱之為共生固氮（Symbiotic Nitrogen Fixation）。據統計，共生固氮每年可向農業系統中提供大約5000萬噸氮素營養。因此，共生固氮對於農業可持續發展和環境保護具有舉足輕重的意義。氮素是植物生長發育所必需的大量元素。共生固氮是豆科植物為了更好地適應氮素匱乏環境演化而來的，其本身是一個耗能的生物學過程，因此豆科植物會根據環境土壤中的氮素水平，開啟或關閉結瘤固氮發育程序。有趣的是，環境土壤中低濃度的氮素會促進結瘤固氮，而高濃度氮素則抑制結瘤固氮。但是自從1916年Fred和Graul發現氮素對根瘤共生固氮具有調節作用以來，目前人們仍然不清楚豆科植物如何感知環境中氮素濃度變化、進而精準調控結瘤固氮的分子細胞機制。

苜蓿和苜蓿根瘤

2020年6月8日，中國科學院微生物研究所孔照勝團隊在Nature Plants 發表了題為Transfer Cells mediate Nitrate Uptake to Control Root Nodule Symbiosis的研究論文。該團隊發現苜蓿根瘤維管組織傳遞細胞特異表達的硝酸鹽轉運體NPF7.6，通過感知環境中硝酸鹽濃度變化，介導其吸收與轉運，調控豆血紅蛋白基因表達來控制一氧化氮穩態及固氮酶活性，從而實現對根瘤發育與共生固氮的精細調控。

傳遞細胞 (Transfer cells) 是一類具有內向生長細胞壁 (Wall ingrowths) 結構的特化細胞，其主要特點是在細胞中形成許多不規則鹿角狀或迷宮狀突起，質膜沿著壁內突褶皺凹陷將細胞壁包裹，擴大了質膜表面積，因此大大增強了細胞對物質的吸收與傳遞。傳遞細胞富含各種轉運蛋白，主要承擔各種溶解物質的短途運輸功能。具體功能主要包括從外界環境中吸收溶質；分泌溶質到外界環境；從周圍組織細胞吸收溶質；分泌溶質到周圍組織細胞。在植物維管組織以及植物表面發揮分泌功能的組織中常常有傳遞細胞的分布。早期研究已經發現豆科植物與根瘤菌的共生根瘤維管組織中也存在傳遞細胞 (Nodule transfer cells, NTCs)，但其分布規律、三維結構及在共生固氮過程中如何調控營養運輸與信號傳遞的機制尚不清楚。

該研究首次大尺度高分辨解析了根瘤維管系統中傳遞細胞的分布規律，並重構了傳遞細胞的內部三維結構：根瘤維管組織中的中柱鞘細胞 (Pericycle)、靠近木質部導管的薄壁細胞(Xylem parenchyma)和靠近韌皮部篩分子的薄壁細胞 (Phloem parenchyma) 都具有內突生長的細胞壁結構，因此均作為傳遞細胞發揮功能（圖1a, b）。傳遞細胞富含線粒體、內質網和胞間連絲，有利於物質的短距離運輸（圖1c）。如果把根瘤維管系統比作連接根瘤侵染細胞（共生固氮細胞）與宿主根系的主航道，那麼傳遞細胞就相當於中轉碼頭，而各種轉運蛋白就是一個個擺渡車，繁忙有序地執行各種複雜的營養物質傳遞與信息交流任務（圖1d，美國舊金山市漁人碼頭的第39號碼頭—Pier 39）。

圖1. 蒺藜苜蓿根瘤維管組織結構及傳遞細胞三維重構

硝酸鹽是土壤中最主要的無機氮素營養形式，並可作為重要的信號分子調節植物器官發育。該研究進一步發現，蒺藜苜蓿中編碼硝酸鹽轉運體的NPF7.6基因在根瘤維管束中特異表達（圖2a），NPF7.6蛋白定位在傳遞細胞的質膜上（圖2b）。敲除NPF7.6基因導致根瘤維管束髮育異常，特別是在傳遞細胞中存在明顯的不規則鋸齒狀質膜結構（圖2c-f）。有趣的是，NPF7.6基因受根瘤菌和高濃度硝酸鹽誘導表達（圖3a, b），提示其調控硝酸鹽介導的根瘤共生固氮。爪蟾卵母細胞生理試驗表明NPF7.6是一個高親和性的硝酸鹽轉運體。更重要的是，與野生型根瘤相比，npf7.6突變體根瘤不能精確感知環境中硝酸鹽的濃度變化進而調控根瘤發育（圖3c）。硝酸鹽模擬吸收試驗進一步表明，npf7.6突變體根瘤從苜蓿根系和外界環境吸收15NO3-的能力與野生型相比均顯著降低（圖3d,e）。上述結果表明，定位於傳遞細胞質膜的NPF7.6能夠通過介導硝酸鹽吸收來調控結瘤及根瘤維管組織的可塑性發育。

圖2. NPF7.6的表達、定位及功能研究

進一步研究發現，在無氮條件下，根瘤菌誘導NPF7.6基因表達，根瘤從宿主植物根系中吸收硝酸鹽來維持根瘤基本生長；在低硝酸鹽濃度下，根瘤菌誘導NPF7.6表達，根瘤吸收外界環境中的硝酸鹽，避免了根瘤發育與宿主生長競爭氮源，從而促進根瘤發育；在處於高硝酸鹽濃度環境中時，根瘤菌與高濃度硝酸鹽同時誘導NPF7.6表達，增進硝酸鹽吸收，根瘤中過量的硝酸鹽抑制豆血紅蛋白基因 (Leghemoglobins,Lbs) 的表達，擾亂一氧化氮（Nitric oxide, NO）穩態，進而抑制固氮酶 (Nitrogenase) 活性（圖3f, g）。

圖3. NPF7.6的調控作用機制

綜上所述，該研究解決了豆科植物如何感知環境中硝酸鹽濃度變化，進而精細調控根瘤發育及共生固氮這一領域內備受關注的重要科學問題。研究成果為未來有效利用共生固氮、培育高效固氮植物材料提供了理論依據，同時也對苜蓿這一最重要牧草的分子設計育種具有重要的參考價值。

中科院微生物所特別研究助理王琪博士為論文第一作者，孔照勝研究員為通訊作者。孔照勝團隊與首都師範大學李樂攻教授團隊合作完成了NPF7.6蛋白的硝酸鹽轉運試驗；與中國科學院微生物研究所高福院士團隊合作完成了NPF7.6蛋白表達及結構預測。該研究得到了中國科學院戰略性先導科技專項、國家轉基因專項、國家傑出青年科學基金、種子創新研究院及植物基因組學國家重點實驗室經費的大力支持。

論文連結：

https://doi.org/10.1038/s41477-020-0683-6

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