中國農業大學王濤/董江麗團隊解析豆科植物共生固氮碳源供給機制

責編 | 王一

據統計，生物固氮每年能爲農業系統提供5000-7000萬噸的固定態氮源，而共生固氮更是生物固氮中固定氮源最多的分支，這種自然界高效而環境友好的固氮方式不僅能滿足植物在低氮環境下生長髮育的需求，更極大地促進了大氣圈的氮素循環。豆科植物共生固氮是一個高度耗能的過程，每獲取1 g 固定的氮需要消耗12～17 g的碳源。在低氮條件下，豆科植物如何分配能量和碳源實現高耗能共生固氮的分子機制尚不清楚。

近日，中國農業大學生物學院王濤/董江麗教授團隊在Molecular Plant上發表了題爲Legume-specific SnRK1 promotes malate supply to bacteroids for symbiotic nitrogen fixation的研究論文。該研究發現了豆科植物特異的新型能量感受器家族蛋白SnRK1a4，證明其是共生固氮的正調節子。SnRK1a4被上游激酶DMI2激活，並進一步磷酸化蘋果酸脫氫酶MDH，促進蘋果酸產生，爲類菌體提供碳源，保障植物和微生物碳氮交換，促進共生固氮。DMI2-SnRK1α4-MDH爲構建穀類作物的共生固氮提供了新模塊。

爲了挖掘苜蓿中調控共生固氮能量供給的關鍵基因，研究人員分析了真核生物的能量感受器蛋白家族AMPK/SnRK1/SNF1行使激酶功能的關鍵亞基α的遺傳進化關係，發現了一類新型的SnRK1α亞基，在豆科中單獨進化爲一支，將此新型的SnRK1α亞基命名爲SnRK1α4。對其功能域進行分析，與經典的 SnRK1α1/α2 不同，SnRK1α4 只具有一個 N 端激酶域（KD），其 C 端缺失泛素相關域（UBA）和激酶相關域（KA1）。該研究對截形苜蓿SnRK1α1，SnRK1α2和SnRK1α4在接種根瘤菌後的轉錄水平檢測，發現與SnRK1α1，SnRK1α2不同，SnRK1α4的轉錄本在接種後顯著誘導上調；GUS染色和pMtSnRK1α4: MtSnRK1α4-GFP均顯示SnRK1α4在根瘤中高表達（圖1）。表型分析結果表明，SnRK1α4過表達植株的根瘤大小和固氮酶活性增加，而snrk1α4突變體的根瘤大小和固氮酶活性顯著降低。SnRK1α4功能與前人研究的經典的SnRK1α1/α2 過表達導致植株矮小顯著不同。

圖1. MtSnRK1α4 在根瘤固氮區高表達

爲解析SnRK1α4調控共生固氮的分子機制，通過酵母文庫篩選互作蛋白和免疫共沉澱實驗證明激酶DMI2能與SnRK1α4相互作用；體外磷酸化實驗證明DMI2能磷酸化 SnRK1a4T175；SnRK1a4T175A點突變材料的根瘤大小和固氮酶活均無法恢復成野生型的表型，表明DMI2激活SnRK1a4調控共生固氮。轉錄組分析結果表明，SnRK1a4影響了共生固氮過程中調控糖代謝通路中澱粉與蔗糖的分解及蘋果酸的產生相關酶的表達。爲了進一步尋找SnRK1α4的直接下游靶標，通過免疫共沉澱偶聯質譜分析鑑定到根瘤中高表達，催化蘋果酸合成的關鍵酶 —蘋果酸脫氫酶（MDH1、MDH2），通過蛋白-蛋白相互作用、體內phos-tag以及體外磷酸化偶聯質譜等技術，發現SnRK1a4磷酸化激活MDH1/2，進而促進了共生細胞中蘋果酸的產生，爲類菌體提供碳源。SnRK1能系統感知和傳遞能量代謝信號，該研究通過相互嫁接實驗以確定SnRK1a4對共生固氮的調控是局部的還是系統的。對野生型和snrk1a4的地上部和地下部進行相互嫁接，只有snrk1α4 地下部分的嫁接植株纔會形成較小、固氮能力較弱的根瘤。

綜上所述，DMI2-SnRK1a4-MDH 在根瘤固氮區磷酸化級聯激活了蘋果酸代謝，以確保共生固氮過程中有效的碳氮交換（圖2）。

圖2. DMI2-SnRK1α4-MDH1/2模塊調控共生固氮

中國農業大學生物學院王濤教授和董江麗教授爲該研究的共同通訊作者。中國農業大學生物學院博士研究生郭達和劉鵬博士爲共同第一作者，劉倩雯博士，鄭麗華博士，沈晨博士，博士生劉思凱、劉麗、樊沙沙和李楠參與了該研究工作。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和內蒙古 “揭榜掛帥”重大項目的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.08.009