中國農(nóng)大發(fā)表最新Science論文

編輯丨王多魚

排版丨水成文

植物根系可通過與不同微生物建立共生關(guān)系，獲取其生長所需的關(guān)鍵營養(yǎng)元素，其中叢枝菌根真菌和根瘤菌是與植物共生的兩類重要微生物。

約 4–5 億年前，植物開始與叢枝菌根真菌建立共生關(guān)系，通過在土壤中形成龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)促進植物對磷的吸收，約 80% 的陸生植物具備形成菌根共生的能力。在具備菌根共生兼容性的基礎(chǔ)上，約 6000 萬年前，豆科植物進一步演化出特異的根瘤共生體系，可與根瘤菌協(xié)同將大氣氮固定為可利用的氮源，這是其區(qū)別于其他植物類群的重要特征。由于這兩類共生在信號感知與轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)，參與二者的共同基因/功能模塊被統(tǒng)稱為“共生共享信號通路”（Common Symbiotic Signaling Pathway，CSSP）。

演化學(xué)上最令人著迷的謎題之一在于：這兩種時間跨度巨大、功能特異的共生關(guān)系，在信號的感知與轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中卻存在著極深的演化淵源和“血脈聯(lián)系”。主導(dǎo)這兩大共生系統(tǒng)的核心基因與調(diào)控模塊，在植物中被高度濃縮在了一條共生共享信號通路的分子主線上。在共生建立過程中，胞內(nèi)侵染是共生菌突破宿主細胞屏障，進入細胞內(nèi)部的關(guān)鍵節(jié)點。然而，CSSP 類基因如何在豆科植物中介導(dǎo)兩類共生微生物的胞內(nèi)侵染過程，其在非豆科作物中的同源基因是否保留，其功能與調(diào)控機制仍缺乏系統(tǒng)解析。進一步而言，這些基因/模塊能否在非豆科作物中作為可利用的“遺傳底盤”與框架，支撐非豆科固氮工程設(shè)計，同樣有待深入研究。理解這套共享機制，不僅是解碼植物-微生物互作的鎖鑰，更是未來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色革命的理論基石。

植物與土壤微生物（例如固氮細菌（根瘤菌）和提供養(yǎng)分的真菌（菌根））形成有益的共生關(guān)系。根瘤菌要感染植物根部并提供氮素，根細胞內(nèi)必須形成一種稱為感染絲的特殊結(jié)構(gòu)，這需要植物內(nèi)部的肌動蛋白細胞骨架和細胞膜進行精確重組。然而，啟動這種膜重塑以使微生物進入的分子機制，目前仍不清楚。

2026 年 3 月 5 日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院梁鵬博團隊（博士生喬李錦、孫恒為論文的共同第一作者）在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science 上發(fā)表了題為 ：Nanodomain-localized formin gates symbiotic microbial entry in legume and solanaceous plants的研究論文。

該研究揭示了豆科植物蒺藜苜蓿中 Formin 家族蛋白SYFO2介導(dǎo)的根瘤菌胞內(nèi)侵染分子機制，以 CSSP 類基因的共生演化為線索樞紐，研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)，該機制不僅是豆科植物與根瘤菌共生所必需，也主導(dǎo)著豆科植物和非豆科作物番茄中菌根真菌的胞內(nèi)侵染進程。

在豆科植物苜蓿中，SYFO2 是根瘤菌侵染根毛、起始侵染線形成的主導(dǎo)因子。接種根瘤菌后，SYFO2 在苜蓿根毛細胞膜上呈現(xiàn)為特定的納米微區(qū)（Nanodomain），并與支架蛋白 SYMREM1 發(fā)生物理互作，二者共同驅(qū)動蛋白質(zhì)的液-液相分離來形成局部細胞微絲調(diào)控樞紐，進而引發(fā)細胞膜內(nèi)陷，最終形成根瘤菌進入宿主細胞的通道—侵染線，該過程中 SYFO2 的轉(zhuǎn)錄水平受根瘤共生特異轉(zhuǎn)錄因子 NIN 調(diào)控。SYFO2 同時主導(dǎo)菌根真菌在苜蓿根部的胞內(nèi)侵染，其轉(zhuǎn)錄水平在預(yù)侵染和早期侵染細胞中被特異激活，其蛋白亞細胞定位在菌絲進入宿主細胞及早期分枝結(jié)構(gòu)處。

在非豆科作物番茄中，SYFO2 同源基因并未丟失，且調(diào)控菌根胞內(nèi)侵染的功能保守。盡管番茄不能與根瘤菌共生固氮，且 NIN 基因丟失，但其內(nèi)源 SYFO2 基因啟動子區(qū)仍保留 NIN 結(jié)合位點。在番茄中異源引入苜蓿 NIN 蛋白，可成功激活番茄內(nèi)源 SYFO2 的表達，揭示了根瘤菌早期侵染這一遺傳通路框架在非豆科作物中的工程化潛力。

圖A. 根瘤菌侵染宿主根毛細胞的細胞微絲重塑，圖B. 叢枝菌根侵染宿主的皮層細胞

根瘤菌、叢枝菌根侵染豆科植物和非豆科作物番茄的保守分子框架及工程化策略

總的來說，這項研究闡明了植物細胞內(nèi)細菌與真菌共生建立的共性機制，也為未來增強或設(shè)計作物與有益微生物的共生關(guān)系提供了新思路。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx8542