Science：形成侧根还是形成根瘤？关键基因被揭示！

来源：BioArt植物

氮素是植物生长和发育所必需的营养元素。生物固氮对提高作物产量，减少化肥使用量、保持农业可持续发展等方面具有重要作用。目前，生物固氮主要是利用豆科植物—根瘤菌为经典模式的生物固氮体系。利用合适的方式把豆科植物中的固氮体系引入到非豆科作物中，建立非豆科植物的固氮新体系，是现代农业科学研究中极具意义的课题。在非豆科植物中建立固氮体系的关键是全面了解豆科植物生物固氮的分子机制。目前，生物固氮机制研究已经取得了非常大的进展，但是关于根瘤形成和起源机制依然有待深入研究。

11月22日，Science 杂志在线发表了一篇由日本科学家完成的题为A shared gene drives lateral root development and root nodule symbiosis pathways in Lotus的论文。在百脉根的研究发现，侧根发生的关键调控组分被豆科植物利用从而形成根瘤。该研究为非豆科作物的固氮工程提供了新思路。

早期在豆科植物中鉴定到一个调节根瘤形成的基因是NODULE INCEPTION (NIN)，该基因编码一个转录因子，对根瘤的形成是必需的。NIN促进2个NUCLEAR FACTOR-Y (NF-Y) 基因的表达。NIN和NF-Y共表达时可激活根瘤形成过程中皮层细胞的分裂，并且能改变侧根的发育。这说明，侧根和根瘤的形成具有一定的关系，但是同时影响二者的分子机制目前还不清楚。

该研究利用染色质免疫共沉淀鉴定到，NIN靶基因中只有 LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN 16 (LBD16) （也被称为ASYMMETRIC LEAVES 2-LIKE 18，ASL18）可以促进皮层细胞的分裂。LBD16是先前在拟南芥中鉴定到编码一个转录因子的基因，是拟南芥侧根形成所必需的。该研究进一步发现， LBD16同时参与到侧根和根瘤形成的，两个过程共享该基因。

但为什么 LBD16/ASL18 在豆科植物中参与根瘤的形成，而在非豆科植物中却不能？随后对LBD16中NIN的结合位点分析发现，在豆科植物中LBD16的一个内含子上含有NIN的结合位点，而在非豆科植物中却不存在这个位点。因此，LBD16可能是控制根瘤形成的一个关键基因。考虑到LBD16这单一基因在根瘤和侧根形成中的作用，豆科植物中控制根瘤形成的遗传机制或许没有之前认为的那么复杂，这也极大的提高了利用豆科植物的根瘤改造成其它作物生物固氮的可行性。

值得一提的是， 近期，Current Biology 上发表了一篇题为NODULE INCEPTION Recruits the Lateral Root Developmental Program for Symbiotic Nodule Organogenesis in Medicago truncatula的研究论文。通过对豆科植物蒺藜苜蓿的研究也发现了相似的结论。两篇论文正据相互支持，确定了LBD16在根瘤形成中的功能。

论文链接：

DOI: 10.1126/science.aax2153 

DOI: 10.1016/j.cub.2019.09.005