河南大学王学路团队揭示盐胁迫抑制豆科植物-根瘤菌共生的分子机制

来源：BioArt植物

豆科植物进化出与根瘤菌的共生关系，形成一种特殊的器官—共生根瘤，根瘤菌在其中将空气中的氮气固定为氨，供植物利用。因此，研究豆科植物和根瘤菌的相互作用，从而增加共生固氮的效率，是减少氮肥施用、发展绿色可持续农业的关键。豆科植物和根瘤菌的互作和共生固氮受到外部环境条件的影响。非生物胁迫严重抑制了豆科植物的根瘤发育和共生固氮。然而，其中的遗传和分子机制仍知之甚少。

2020年12月21日，河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室王学路教授团队在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，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。

该研究发现，糖原合成酶激酶3（glycogen synthase kinase 3, GSK3）家族的基因，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。大豆GSK3家族共有25个基因，其中属于第二亚家族的GmSK2-8在高盐胁迫下，表达受到强烈诱导，同时其表达也受到接种根瘤菌诱导。作者通过毛根转化植株和稳定转基因植株发现，大豆根瘤形成、早期根瘤菌侵染、根瘤原基发育和共生响应基因的表达都受到GmSK2-8的负调控。进一步通过质谱分析和生化分析，证明GmSK2-8与共生信号途径中的关键转录因子GmNSP1相互作用。GmNSP1是豆科植物共生信号途径下游的关键转录因子，是共生结瘤必不可少的组份。利用PTG-Cas9技术编辑得到的nsp1突变体植株，表现出无根瘤菌侵染和无根瘤形成的表型。一系列的磷酸化实验和DNA结合实验表明，GmSK2-8通过磷酸化GmNSP1的LHR1结构域中的5个磷酸化位点，抑制其结合到下游共生响应基因的启动子上。盐胁迫也减弱了内源GmNSP1对共生响应基因的启动子的结合。GmSK2-8 的敲低表达植株和NSP1磷酸化位点突变植株在根瘤形成上对盐胁迫相对不敏感。

综上，该研究揭示了非生物胁迫调控豆科植物根瘤发育和共生固氮的分子机制：当豆科植物处于非生物胁迫（如高盐）下，大量诱导某些GSK3的表达（如GmSK2-8），上调的GSK3磷酸化NSP1，抑制其结合下游共生响应基因表达，从而抑制根瘤的形成。该研究加深了我们对盐胁迫调控结瘤固氮的分子机制的了解，为改善大豆和其他豆类在环境胁迫条件下的共生固氮能力提供了可供改造和利用的目标基因。

河南大学王学路教授为该论文的通讯作者，华中农业大学和河南大学博士研究生何春梅为第一作者。该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。

王学路教授长期从事植物遗传学、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。最近，在河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室组建的“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，并开展豆科作物品种分子设计改良。近期该团队在大豆与根瘤菌匹配性进化的遗传与分子机制，以及豆科与非豆科植物根瘤固氮能力差异的进化机制研究方面取得了重要进展。