JIPB | 特邀综述：豆科植物-根瘤菌共生的内在机制！

氮是植物生长所需的三大主要营养素之一，因此是植物最重要的元素之一。尽管氮是大气中含量最丰富的元素（~79%），但大多数植物无法直接利用大气中的氮气。然而，固氮植物（NFC）与固氮细菌相关联，尤其是根瘤菌属的植物，它们通过共生固氮（BNF）过程将大气中的氮气（N₂）转化为氨（NH₃），一种更容易被宿主植物利用的形式。BNF对全球粮食生产和生态系统的氮循环很重要。系统发育分析表明，被子植物中的结瘤发生在大约1亿年前 (MYA)，随后是NFC物种中的“单增多减”。大约65 MYA，云实亚科和蝶形花科植物的一些主要谱系进化出与根瘤菌建立共生关系的能力。

2021年12月27日，国际权威学术期刊Journal of Integrative Plant Biology发表了中科院分子植物生理生态研究所王二涛（Cell | 一箭双雕！重磅研究揭示植物磷信号网络调控菌根共生的分子机制！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！PNAS | 中科院王二涛团队揭示受体竞争可以区分水稻的共生和免疫信号！Current Biology | 中科院分子植物卓越中心王二涛团队揭示植物共生结瘤的信号转导机制！）团队与上海师范大学于楠团队和美国马萨诸塞大学王东共同通讯的最新研究成果，题为Mechanisms underlying legume–rhizobium symbioses的综述论文（Invited Expert Review）。

与大多数陆地植物不同，豆类可以与固氮细菌形成共生根瘤，以确保生长所需的氮。豆科植物根部固氮根瘤的形成需要根部表皮的根瘤菌侵染与皮层的细胞分裂相协调。根瘤在称为共生体的细胞器样结构中容纳固氮根瘤菌，其能够固氮并促进宿主和共生体之间的代谢物交换。除了这种有益的相互作用外，豆类还不断暴露于潜在的病原微生物中；因此，区分病原菌和共生菌的能力是植物在自然条件下生存的主要决定因素（Science | 重磅研究揭示植物如何区分有益和有害微生物！Science | 专家点评：豆科植物结瘤共生的特异性）。本文总结了在豆科植物-根瘤菌共生过程中根瘤共生信号、转录调控和植物免疫调控的最新进展。此外，本文提出了几个需要解决的重要问题，并提供了对豆科植物和非豆科植物固氮能力进行工程改造潜力的见解。

图 1. 蒺藜苜蓿的共同共生信号通路 (CSSP) 模型

图 2. 蒺藜苜蓿中未确定的结瘤发生的阶段和调节网络

图3. AON途径的模型

图4. 共生和防御的拮抗作用的模型

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