Nature Plants：李霞团队揭示铁养分驱动的大豆等豆科植物结瘤新机制
Nature Plants：李霞团队揭示铁养分驱动的大豆等豆科植物结瘤新机制
近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室大豆团队在Nature Plants上发表重要研究成果，揭示了铁养分驱动大豆等豆科植物结瘤的新机制。研究论文题为 "The BRUTUS iron sensor and E3 ligase facilitates soybean root nodulation by monoubiquitination of NSP1"。
大豆是我国重要的粮油饲兼用作物，提升产量和品质是当前面临的重要挑战。作为高蛋白作物，大豆对氮素需求较高。在长期进化过程中，大豆演化出了与根瘤菌共生固氮这一重要性状。通过共生固氮，植物可获得近70%的总生物量氮素，超过80%的籽粒氮素。因此，提高共生固氮效率是提升大豆产量和品质的关键途径。
铁是植物和微生物生长发育所必需的微量养分，参与呼吸、光合等多个生物过程。铁也是固氮酶和豆血红蛋白的重要组成成分，对豆科植物成熟根瘤的固氮活力至关重要。然而，铁在大豆等根瘤形成中的作用以及大豆感知环境铁并将铁信号整合到结瘤信号中的分子机制尚不清楚。
研究团队首先建立了一个水培体系，系统评价了不同铁浓度对根瘤菌侵染（侵染线和根瘤原基）和根瘤数量的影响。结果发现，即使在充足光照和氮匮缺条件下，没有铁大豆-根瘤菌共生结瘤过程完全被抑制，说明铁是大豆结瘤一个重要驱动力。此外，明确了大豆共生结瘤的最适宜的铁浓度是大约40 μM，铁低于该剂量造成养分不足，而高于该水平造成氧化胁迫均抑制早期侵染事件和根瘤的形成（图1）。
图1. 铁决定大豆根瘤数量
进一步研究发现，铁是通过影响大豆共生结瘤上游转录因子GmNSP1a蛋白的稳定和转录活性，进而调控核心基因GmNINs的表达水平来发挥作用。通过酵母双杂交筛选，研究团队发现了一个与铁相关的GmNSP1a互作蛋白GmBTSa。GmBTSa/N端含有结合铁的Haemerythrin（HHE）结构域、C端含有RING zinc-finger 结构域，是拟南芥铁受体BTS的同源蛋白。GmBTSa/GmBTSb与GmNSP1a结合并促进其蛋白稳定性和对GmNIN基因转录活性。
研究团队证明了GmBTSa是一个E3泛素连接酶，通过特异地单泛素化修饰GmNSP1a促进其蛋白稳定性和转录活性来促进结瘤。通过IP-MS技术，研究团队鉴定了GmNSP1a上被GmBTSa单泛素化的赖氨酸，将这些赖氨酸突变后的GmNSP1a（GmNSP1a5KR）不再被GmBTSa单泛素化修饰，蛋白的稳定性和转录活性也显著下降，更重要的是突变蛋白GmNSP1a5KR不能恢复Gmnsp1a突变体的结瘤表型，证明单泛素化修饰对GmNSP1a促进结瘤的功能是不可或缺的。
基于以上实验，研究团队提出了如下的模型（图2）：在铁充足的条件下，BTS在转录和翻译水都被根瘤菌诱导，在结合并感受铁后蛋白稳定性增强，通过单泛素化修饰NSP1促进其蛋白的稳定和转录活性，激活共生核心基因NIN的表达，进而促进根瘤菌侵染和根瘤的形成；而在缺铁条件下，BTS蛋白变得不稳定造成对NSP1蛋白的单泛素化修饰作用减弱，导致NSP1蛋白的稳定性和转录活性下降，从而抑制共生信号以及结瘤过程。
图2. BTS-NSP1单泛素化修饰模块介导豆科响应环境铁信号的分子模型
该研究明确了铁元素在大豆共生结瘤过程中的重要作用，并解析了铁受体BTS-共生信号关键转录因子NSP1构成的分子调控模块通过监测外部铁水平调控豆科植物结瘤的分子机制。这些研究结果揭示了微量必需营养元素铁驱动的豆科植物结瘤分子遗传基础，不仅为提高大豆等豆科作物在盐碱环境下的结瘤与共生固氮效率，提升作物产量品质提供了新思路，还为育种家培育“高效、高抗、高产、优质”作物新品种提供新基因和新种质资源。此外，鉴于NSP1也是植物与丛枝杆菌共生信号的一个重要组分，BTS-NSP1分子模块及其作用机制很可能广泛存在于植物中并参与铁介导的植物-微生物共生过程。总之，这些新发现对提高大豆等作物资源利用效率和我国农业可持续发展、对于盐碱地开发利用及保障粮食安全具有重要的意义。
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室已毕业博士研究生任仔银为本文第一作者，王志娟副教授和李霞教授为本文通讯作者。吉林省农业科学院农业生物技术研究所张玲副研究员参与了该项研究工作。该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点基金和面上基金、中央高校基本科研业务费、吉林科技发展项目等的资助。