科学通报 | 豆科植物-根瘤菌共生固氮的胞内侵染机制及其对非豆科作物固氮工程设计的启示

植物根系可通过与不同微生物建立共生关系, 获取其生长所需的关键营养元素, 其中丛枝菌根真菌和根瘤菌是与植物共生的两类重要微生物 [1] . 豆科植物既可以与丛枝菌根真菌建立共生, 促进植物对磷元素的吸收; 也可以与根瘤菌共生, 将氮气固定为植物可利用的氮源 [2] . 豆科植物-根瘤菌共生固氮是最高效的生物固氮体系, 其固氮量占到生物固氮总量的60%以上, 农业用地中高达50%的氮来自这种共生固氮体系 [3] . 为了实现绿色高产型农业, 在改进育种和栽培技术等措施的基础上, 如何将生物固氮工程化, 比如将豆科植物的共生固氮能力转移到非豆科作物上, 被视为可持续发展农业的一个关键突破口 [4] .

豆科植物与根瘤菌共生的建立包括根毛侵染和根瘤形成两个过程, 根毛侵染是共生固氮的前提. 共生过程起始于双向化学信号的交流, 植物释放类黄酮类化合物吸引根瘤菌向根际趋化, 根瘤菌释放结瘤因子, 被植物细胞所识别后, 诱导植物根毛变形、卷曲包裹根瘤菌, 形成侵染室(infection chamber). 之后胞内侵染起始, 侵染室向内延伸, 形成管道状结构侵染线(infection thread), 同时植物根的内皮层细胞进行分裂形成根瘤原基. 根瘤菌沿侵染线向内输送至根瘤原基并释放入植物细胞, 最终根瘤原基发育成具有固氮功能的根瘤 [5] ( 图1(a) ).

图1 豆科植物-根瘤菌共生互作模式图. (a) 根毛侵染与根瘤形成过程, 根毛侵染包括信号识别、侵染室形成、胞内侵染起始、侵染线延伸. (b) SYFO2介导侵染位点处细胞微丝动态重塑

根毛侵染过程中根毛发生形变卷曲, 随之经历细胞壁的动态修饰及细胞骨架的重排等 [ 6 , 7 ] , 其中Formin蛋白对细胞骨架重排发挥关键的调控功能. Formin家族蛋白在真核生物中保守存在, 主要负责调控肌动蛋白的成核与延伸 [8] . 在豆科植物蒺藜苜蓿( Medicago truncatula )中, 共生固氮进化分支特异的Formin家族蛋白SYFO1 (symbiotic formin 1)在侵染早期介导了细胞壁-细胞膜-细胞骨架连续体, 是诱导根毛形变卷曲的核心元件, 对于根毛包裹根瘤菌, 形成侵染室至关重要 [9] . 然而, 共生微生物如何进一步突破根毛表面、启动胞内侵染, 仍然缺乏清晰解释.

近日, 中国农业大学梁鹏博团队在 Science 发表了最新成果, 纳米微区(nanodomain)定位的Formin蛋白作为细胞“门控因子”, 调控豆科与茄科植物中共生微生物的胞内侵染 [10] .

SYFO2 的转录水平受根瘤菌接种诱导上调, 暗示其参与共生调控. 在 syfo2 突变体中, 根瘤菌诱导的前期响应如根毛卷曲、侵染室的形成与野生型并无显著差异, 但侵染线的形成与向内延伸却严重受阻, 即根瘤菌能够被根毛包裹, 却难以进入植物细胞内部. 遗传表型证明SYFO2在 syfo2 根瘤菌胞内侵染起始过程中发挥作用.

SYFO2介导细胞微丝的动态重塑. 研究人员观察到, 在未接种根瘤菌的条件下, syfo2 突变体根毛微丝的排列与野生型一致. 在接种根瘤菌后, 变形卷曲根毛中, 突变体微丝排列与野生型无差异. 形成侵染室的根毛中, 野生型中片段化的微丝在侵染室周围重新组装, 而 syfo2 突变体中, 微丝的重组受损. 值得注意的是, 研究人员发现在侵染室与根毛中的细胞核以及细胞核延伸至根毛基部之间, 存在由微丝组成的连续性结构, 将其称作“微丝桥”, syfo2 突变体中细胞微丝桥的形成受到抑制. 在形成侵染线的根毛中, 野生型侵染线被长的微丝束所包裹, 这一现象在 syfo2 突变体中显著减少, 这些结果表明SYFO2在胞内侵染过程中协调微丝动态.

进一步研究发现, Remorin家族蛋白作为细胞膜纳米微区的重要支架蛋白, 可以招募Formin蛋白, 二者形成液-液相分离凝聚体介导微丝组装 [11] .

本文研究发现, 接种根瘤菌后, SYFO2在苜蓿根毛细胞膜上呈现为特定的纳米微区的点状定位, 并与Remorin家族蛋白SYMREM1 [12] 发生物理互作, 二者在细胞膜上共同驱动蛋白质液-液相分离来形成局部细胞微丝调控枢纽, 进而引发细胞膜内陷, 最终形成根瘤菌进入宿主细胞的通道侵染线( 图1(b) ).

豆科特异存在的共生核心转录因子NIN (NODULE INCEPTION)调控下游众多共生基因的表达 [13] . 在 nin 突变体中, SYFO2 转录水平不再受根瘤菌诱导上调. 转录激活, 酵母单杂交(yeast one-hybrid, Y1H), 电泳迁移率变动分析(electrophoretic mobility shift assay, EMSA)以及染色质免疫沉淀-实时荧光定量PCR (chromatin immunoprecipitation followed by quantitative PCR, ChIP-qPCR)实验共同证明在共生过程中 SYFO2 的转录水平受NIN的调控.

有意思的是, 进化分析发现, SYFO2不仅在固氮分支的植物中保守, 在双子叶丛枝菌根共生分支同样保守存在, 但是在单子叶植物中丢失. 那么SYFO2对更为古老的丛枝菌根共生是否必须呢? 作者发现SYFO2同时主导菌根真菌在苜蓿根部的胞内侵染, 与野生型相比, 蒺藜苜蓿 syfo2 突变体菌根胞内侵染结构丛枝显著减少, SYFO2 的启动子在预侵染和早期侵染细胞中被特异激活, 其蛋白定位在菌丝进入宿主细胞及早期分枝结构处. 更重要的是, 在非豆科作物番茄中, SYFO2 同源基因并未丢失. 番茄 syfo2 突变体中, 菌根胞内侵染结构丛枝显著减少, 这些结果表明SYFO2调控菌根胞内侵染的功能保守. 尽管番茄不能与根瘤菌共生固氮, 且 NIN 基因丢失 [14] , 但其内源 SYFO2 基因启动子区仍保留NIN结合位点, 在番茄中引入苜蓿NIN蛋白, 可成功激活番茄内源 SYFO2 的表达. 这揭示了根瘤菌早期侵染这一遗传通路框架在非豆科作物中仍有部分保留, 暗示其在非豆科作物共生固氮工程设计中具有潜在应用价值.

综合以上研究, 本文鉴定的豆科植物丛枝菌根共生与根瘤共生过程中保守存在的Formin家族蛋白SYFO2, 在细胞膜上与互作蛋白共同驱动微丝骨架向内延伸, 形成局部细胞膜内陷, 最终搭建出共生菌进入细胞的通道. 这项研究阐明了植物细胞内细菌与真菌共生建立的共性机制, 也为未来增强或设计作物与有益微生物的共生关系提供了理论框架.

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