共生固氮新型调节机制

来源：BioArt植物

豆科植物和固氮根瘤菌之间的根瘤共生是陆地生态系统中氮的重要来源，成功的共生固氮（symbiotic nitrogen fixation, SNF）可以替代农田中的氮肥，有助于作物的生长，同时减少氮肥的施用。豆科植物和根瘤菌之间的共生开始于双方分泌的信号分子的相互识别：在根际中，共存的根瘤菌可感知到植物来源的类黄酮并诱导产生称为Nod因子（NF）的脂低聚寡糖信号，之后，NF被宿主豆类植物感知，导致随后的共生反应激活，导致共生性感染和根瘤器官的发生【1】。 

根瘤中的共生固氮作用受到宿主和根瘤菌之间复杂相互作用的严格控制，其活性随二者在物种或基因型水平上组合的变化而改变。之前研究在多种豆科植物中发现了菌株特异性的Fix−表型（有内共生根瘤但是存在固氮缺陷），但是对于决定这种相互作用的分子机制尚不清楚。在豆科植物蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）中的研究揭示了宿主分泌的NCR（nodule-specific cysteine-rich）肽在菌株特异性的固氮活性中发挥作用，但是这些肽的根瘤菌靶标仍不清楚【2】。最近，日本国家农业与食品研究所（NARO）的研究人员在百脉根（Lotus japonicus）中发现一种新的Fix-突变体（apn1），该突变体以根瘤菌株特异性的方式存在：当接种Mesorhizobium loti strain TONO时表现出典型的Fix-表型而接种M. loti strain MAFF303099 则可以形成具有固氮活性的有效根瘤【3】。这种寄主菌株特异性暗示着宿主植物APN1和根瘤菌因子之间存在分子相互作用，但是APN1在根瘤中的生物学功能和调节机制尚不清楚。值得注意的是，由于在非IRLC豆科植物（包括百脉根）中不存在类似NCR的肽，因此APN1的功能分析及其分子靶标的鉴定有望阐明与NCR肽无关的共生相容性的新型调节机制。

近日，NARO的Yoshikazu Shimoda等在PNAS在线发表了一篇题为The rhizobial autotransporter determines the symbiotic nitrogen fixation activity of Lotus japonicus in a host-specific manner的研究论文，揭示了根瘤菌特异性APN1调控根瘤菌功能的分子机制。

该研究首先基于大规模的TONO突变体筛选，鉴定到一个决定apn1 突变体中Fix− 表型的候选基因DCA1 (Determinant of nitrogen fixation Compatibility of APN1)，该基因编码类似于细菌外膜自转运蛋白的蛋白质（V型蛋白分泌系统的一部分）。研究发现，TONO自转运蛋白基因DCA1是apn1突变体的菌株特异性固氮活性的决定因素，MAFF303099菌株的DCA1表达也会出现Fix− 表型。

Comparison of symbiotic properties between M. loti strain MAFF303099 and TONO

DCA1可以将其自身蛋白质的一部分（passenger域）转运到细胞外空间，而APN1具有天冬氨酸肽酶的特性，APN1和DCA1分别起肽酶和蛋白质分泌作用。该研究还发现，转运到胞外的DCA1 passenger域会被重组APN1蛋白在体外裂解。此外，MAFF303099和TONO中都存在直系同源自转运蛋白基因，各个自转运蛋白基因表达水平的差异决定了apn1的固氮表型。 

总之，该研究表明，根瘤菌自转运蛋白是apn1突变体固氮活性的决定因素，APN1抑制了根瘤菌自转运蛋白的负作用，以维持根结节中有效的共生氮固定。该工作为豆科植物优化特定根瘤菌菌株共生固氮活性的策略研究提供了新思路。 

参考文献

【1】G. E. Oldroyd, Speak, friend, and enter: Signalling systems that promote beneficial symbiotic associations in plants. Nat. Rev. Microbiol. 11, 252–263 (2013).

【2】Q. Wang et al., Host-secreted antimicrobial peptide enforces symbiotic selectivity in Medicago truncatula. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114, 6854–6859 (2017).

【3】H. Yamaya-Ito et al., Loss-of-function of ASPARTIC PEPTIDASE NODULE-INDUCED 1 (APN1) in Lotus japonicus restricts efficient nitrogen-fixing symbiosis with specific Mesorhizobium loti strains. Plant J. 93, 5–16 (2018). 

原文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2020/01/02/1913349117