我国学者破解豆科植物能量和共生固氮调节之谜

12月2日，河南大学省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室王学路团队在《科学》发表研究论文，揭示了豆科植物根瘤固氮能力调节的分子机制。在研究中，该团队发现一种新的能量感受器蛋白可以通过重新调整根瘤内部碳源的分配，调节豆科植物共生固氮能力。

生物固氮是自然界生物可用氮的最大天然来源，豆科植物与根瘤菌可以相互作用形成一个独特的器官，即共生根瘤。在根瘤中的共生固氮是地球生态系统中将氮气还原为可被植物吸收利用的氨的重要途径，贡献了60%以上的陆地生物固氮量，对保持农业以及自然生态系统中的初级生产和碳汇有重要意义。

共生固氮是一个高耗能的酶催化过程，植物本身合成的碳水化合物是共生固氮最主要的碳源和能量来源。因此，共生根瘤的固氮能力需要与豆科植物的碳源和能量水平相协调，以平衡共生固氮和其它生命过程的碳消耗并保证豆科植物在不同环境下的正常生长。然而，豆科植物如何响应碳源和能量水平，从而调控根瘤固氮能力的机制一直是未解之谜。

之前许多研究发现，在环境变化导致豆科植物根瘤固氮能力发生改变的时候，根瘤的能量状态会迅速出现相应的变化，表明根瘤能量状态与其固氮能力具有强烈的相关性。胱硫醚β合成酶（CBS）结构域是一类具有结合腺苷酸及其衍生物（包括AMP、ADP和ATP等）能力的保守功能域，在哺乳动物细胞处于能量胁迫状态时，具有这一功能域的AMP激活蛋白激酶（AMPK）γ亚基可以利用CBS结构域结合AMP，从而变构激活AMPK复合物来启动下游信号途径，以应对细胞能量胁迫，这表明CBS家族蛋白具有作为细胞能量感受器的潜力。

王学路团队在大豆根瘤中鉴定了一对高表达的CBS家族同源蛋白GmNAS1和GmNAP1。通过遗传分析，团队发现GmNAS1和GmNAP1的功能缺失没有影响根瘤的形成和发育，但是完全抑制了根瘤碳源供应增加导致的固氮能力上升。

进一步的分子和生化实验表明，GmNAS1和GmNAP1定位于根瘤细胞线粒体膜上，GmNAS1可以直接结合AMP从而与GmNAP1形成异源二聚体，在碳源供应增加导致根瘤能量状态上升时，AMP含量的减少会促使GmNAS1-GmNAP1异源二聚体解离，从而形成更多的GmNAS1-GmNAS1和GmNAP1-GmNAP1同源二聚体，将一个细胞核因子YC亚基GmNFYC10a锚定到线粒体上，减少GmNFYC10a的细胞核积累。

进一步的转录组和代谢分析表明，GmNFYC10a细胞核水平的降低会抑制丙酮酸激酶基因的表达，进而减少糖酵解途径中间产物磷酸烯醇式丙酮酸向丙酮酸的转化，使更多磷酸烯醇式丙酮酸转化为草酰乙酸和苹果酸，从而增强固氮场所类菌体的碳源供应和生物固氮能力。

对于该项发现，中国科学院院士杨维才表示，该研究首次揭示了根瘤碳源供给通过改变细胞能量状态调控固氮能力的分子机制，糖酵解过程中间产物PEP的流动分配在调控根瘤固氮能力中发挥了关键作用。”

他指出，这项突破性进展表明动物细胞和植物细胞采用各具特色的分子机制感受能量，该机制使豆科植物可以在生长环境改变时，依据其体内碳源的可用性及时调整根瘤固氮效能，从而维持植株体内的碳氮平衡，适应周围环境的变化。

中国科学院院士林圣彩指出，该研究首次揭示了植物中可直接感受细胞能量状态来调节细胞内碳代谢分配过程的能量感受器蛋白。与哺乳动物AMPK感受能量状态降低不同，GmNAS1和GmNAP1主要感受根瘤细胞能量状态的上升而发挥功能。这表明动物细胞和植物细胞采用各具特色的分子机制感受能量。这项突破性进展，为发掘自主产生碳源的植物中更多的能量感受器并建立其信号通路提供了范例，将极大促进对细胞和个体水平碳源分配和代谢调控的进化和分子机制的解析。

相关论文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq8591

豆科植物根瘤能量感受和固氮能力调节

（A）外界环境对豆科植物共生固氮的影响（B）《科学》杂志揭示大豆根瘤能量状态调节共生固氮能力的机制（C）光合产物供给不足时根瘤能量状态调控固氮能力的分子机制（D）光合产物供给充足时根瘤能量状态调控固氮能力的分子机制（河南大学供图）