生物固氮是自然生态系统中氮素的主要来源，目前豆科植物的共生固氮已成为植物生物学研究领域的热点。豆科植物的结瘤固氮可用于间作和轮作系统实现高效增产，这对于可持续农业发展至关重要。大豆（Glycine max）结瘤起始于根毛中侵染线的发生，尽管我们对植物与根瘤菌的相互识别和早期共生信号级联反应已有很好的了解，但根瘤菌的侵染过程和连续性根瘤器官发生的分子机制在很大程度上仍未被探索。

2023年12月8日，New Phytologist在线发表了福建农林大学根系生物学研究中心廖红团队题为“Molecular module GmPTF1a/b-GmNPLa regulates rhizobia infection and nodule formation in soybean”的研究论文，该研究结果证实了GmNPLa通过GmPTF1a/b的正调控发挥作用，从而在大豆共生固氮的建立和优化中起关键作用。

根瘤菌一般通过豆科植物根毛的卷曲或表皮裂缝进入根部，形成侵染线并刺激宿主皮层细胞分裂形成根瘤。因此，根系细胞壁即为一个初始屏障，无论根瘤菌侵入途径如何都必须突破这个屏障。虽然已知根瘤菌能够产生降解植物细胞壁聚合物的酶，但在根瘤菌侵染和根瘤器官发生过程中，细胞骨架重塑和植物细胞壁降解均离不开植物自身基因的参与。近期研究发现，一种共生体特异性果胶甲酯酶SyPME1与结瘤果胶裂解酶MtNPL协同介导结瘤过程中细胞-细胞界面空间局限性果胶的改变。而到目前为止，还未鉴定出其他细胞壁降解酶，果胶裂解酶等，并对其在豆类尤其是大豆结瘤中的作用进行功能分析。

该团队对大豆中一个新的果胶裂解酶GmNPLa及其转录调控因子GmPTF1a/b进行了功能性研究，通过基因表达谱、生物信息学分析、遗传互作的生化验证，以及转基因大豆植株表型的观察，阐明了它们在侵染线发生和根瘤形成中的调控作用，其中，磷饥饿诱导转录因子GmPTF1是bHLH转录因子家族成员，被报道是大豆根系结构改变的重要调控因子。根瘤菌接种根毛后能特异性诱导GmNPLa表达。GmNPLa表达量的改变对侵染线和结瘤形成有显著影响。GmPTF1a/b的表达模式与GmNPLa类似，而调控GmPTF1a/b表达同样对结瘤性状有严重影响。通过GmNPLa/GmPPF1a的遗传互补，低结瘤表型的LI（低根瘤菌侵染）大豆株系几乎能恢复到HI（高根瘤菌侵染）的结瘤水平。进一步遗传和生化分析表明，GmPTF1a可以与GmNPLa启动子上的E-box基序结合以激活其转录，从而促进大豆结瘤。综上所述，GmPTF1a/b作为大豆结瘤的关键早期调控因子，通过直接介导GmNPLa的表达和植物细胞壁的局部降解来促进根瘤的形成，该发现为大豆根瘤菌侵染和根瘤形成的分子调控提供了新线索。

图1. GmNPLa在结瘤条件下的功能分析

图2. GmPTF1a/b介导大豆结瘤的示意模型

福建农林大学资源与环境学院/根系生物学研究中心李欣欣教授为论文通讯作者，张晓、陈佳欣为本文共同第一作者，廖红教授、连文婷、周慧文、何颖也参与了该项研究。相关工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助，以及福建农林大学钟永嘉教授和关跃峰教授所提供的帮助。

原文链接：https://doi.org/10.1111/nph.19462

转自：“植物生物学研究”微信公众号

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