豆科植物能量和共生固氮调节之谜破解

来源：中国科学报

本报讯（记者陈彬）日前，河南大学省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室王学路团队揭示了豆科植物根瘤固氮能力调节的分子机制。在研究中，该团队发现一种新的能量感受器蛋白可以通过重新调整根瘤内部碳源的分配，调节豆科植物共生固氮能力。相关研究论文发表于《科学》。

胱硫醚β合成酶（CBS）结构域是一类具有结合腺苷酸及其衍生物（包括AMP、ADP和ATP等）能力的保守功能域，CBS家族蛋白具有作为细胞能量感受器的潜力。王学路团队在大豆根瘤中鉴定了一对高表达的CBS家族同源蛋白GmNAS1和GmNAP1。通过遗传分析，团队发现GmNAS1和GmNAP1的功能缺失没有影响根瘤的形成和发育，但是完全抑制了根瘤碳源供应增加导致的固氮能力上升。

进一步的分子和生化实验表明，GmNAS1和GmNAP1定位于根瘤细胞线粒体膜上，GmNAS1可以直接结合AMP从而与GmNAP1形成异源二聚体，在碳源供应增加导致根瘤能量状态上升时，AMP含量的减少会促使GmNAS1-GmNAP1异源二聚体解离，从而形成更多的GmNAS1-GmNAS1和GmNAP1-GmNAP1同源二聚体，将一个细胞核因子YC亚基GmNFYC10a锚定到线粒体上，减少GmNFYC10a的细胞核积累。

进一步的转录组和代谢分析表明，GmNFYC10a细胞核水平的降低会抑制丙酮酸激酶基因表达，进而减少糖酵解途径中间产物磷酸烯醇式丙酮酸向丙酮酸的转化，使更多磷酸烯醇式丙酮酸转化为草酰乙酸和苹果酸，从而增强固氮场所类菌体的碳源供应和生物固氮能力。

这项突破性进展为发掘自主产生碳源的植物中更多的能量感受器并建立其信号通路提供了范例，将极大促进对细胞和个体水平碳源分配与代谢调控的进化及分子机制的解析。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.abq8591

《中国科学报》 (2022-12-23 第1版要闻)