Science | 为什么结瘤固氮需要光？研究揭示光驱动豆科植物根部共生固氮的分子机制！

共生固氮是生物圈最大的天然生物可利用氮源，影响着农业和自然生态系统的初级生产和碳汇。固氮的被子植物中的一个子集演化出根瘤来容纳根瘤菌进行共生固氮（Nature | 突破！中科院植生所王二涛团队揭示豆科植物与根瘤菌共生固氮的关键模块！Science | 重磅！剑桥大学Giles Oldroyd课题组阐述植物通过共生微生物促进养分吸收！Science | 重磅研究揭示植物如何区分有益和有害微生物！）。由于共生固氮是一个能量消耗的过程，需要大量的还原碳，它可能受到植物可用光照的调节；在自然生态系统中，光照驱动着共生固氮。大豆和其他豆科植物与根瘤中的固氮细菌形成共生关系，从而确保植物能够随时获得必要的营养。

2021年10月1日，国际顶级学术期刊Science发表了河南大学王学路（Nature plants | 王学路和李友国团队揭示大豆NNL1通过根毛侵染限制与根瘤菌的共生相容性！）团队的最新相关研究成果，题为Light-induced mobile factors from shoots regulate rhizobium-triggered soybean root nodulation的研究论文。在这项研究中，科研人员研究了将地上光照与地下根瘤结合起来的信号通路。两个移动调节因子响应光照从地上部分移动到根部，它们一起在根部形成一个信号模块，诱导结瘤因子的表达。因此，当地上部分看到足够的光照来支持光合作用的生产力时，根部得到信号来提高固氮作用。

科研人员证明，光诱导的大豆TGACG-motif结合因子3/4（GmSTF3/4）和FLOWERING LOCUS T（GmFTs），从地上部分到根部，相互依赖地诱导结瘤器官发生。根瘤菌激活的钙和钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CCaMK）使GmSTF3磷酸化，引发GmSTF3-GmFT2a复合物的形成，直接激活了结瘤生成（NIN）和核因子Y（NF-YA1和NF-YB1）的表达。因此，CCaMK-STF-FT模块整合了地上光信号和地下共生信号，确保宿主植物通知其根部，地上环境已准备好可持续供应共生所需的碳水化合物。这些结果提出了可以加强生物圈中碳和氮平衡的方法。

图1. 光照对大豆共生根瘤的影响

图2. 光照诱导的GmSTFs和GmFTs从地上部分调节根部的结瘤

图3. GmSTFs和GmFTs在结瘤形成中的相互作用

图4. GmCCaMK使GmSTF3磷酸化

图5. GmCCaMK-GmSTF-GmFT模块诱导大豆结瘤

更多精彩内容，点击下方“往期回顾”