大豆與根瘤菌共生固氮為大豆提供充足的氮素，滿足其生長(zhǎng)發(fā)育和籽粒高蛋白對(duì)氮素的需求。但是共生固氮是一個(gè)耗能的過程，需要消耗大量的光合產(chǎn)物來實(shí)現(xiàn)。因此，大豆演化了結(jié)瘤自調(diào)控途徑系統(tǒng)（AON）調(diào)控結(jié)瘤信號(hào)通路活力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)根瘤數(shù)量的精細(xì)調(diào)控，使宿主植物達(dá)到最佳生長(zhǎng)和生殖效益。已有研究證明，在根瘤原基形成時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)肽GmRIC1/2 （Rhizobiium induced CLE peptides）會(huì)到地上激活激酶受體GmNARK （Nodule Autoregulation Receptor Kinase），進(jìn)而長(zhǎng)距離抑制根瘤的進(jìn)一步產(chǎn)生。而是什么基因介導(dǎo)AON與結(jié)瘤信號(hào)通路耦合控制最佳根瘤數(shù)量，背后的分子機(jī)制是怎樣的的問題，仍存在很多未知。

 

　　前期研究發(fā)現(xiàn)AON抑制結(jié)瘤關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子編碼基因GmNINa （Nodule Inception）的表達(dá) （Wang et al., 2019，Mol Plant）。為了深入鑒定整合AON與NF結(jié)瘤信號(hào)的節(jié)點(diǎn)基因并解析根瘤數(shù)量系統(tǒng)調(diào)控的分子機(jī)制，研究人員采用了酵母雙雜交篩選GmNINa轉(zhuǎn)錄激活蛋白GmNSP1a （Nodulation Signaling Pathway 1）互作蛋白的工作，并鑒定到了一個(gè)編碼細(xì)胞分裂素B型響應(yīng)調(diào)節(jié)因子（Response Regulators，RRs）的基因-- GmRR11d并開展一系列的研究。研究發(fā)現(xiàn)，與經(jīng)典B型RR基因不同，其表達(dá)受低濃度細(xì)胞分裂素誘導(dǎo)，GmRR11d增強(qiáng)大豆根部對(duì)細(xì)胞分裂素（CKs）的敏感性，并激活下游細(xì)胞分裂素標(biāo)志基因的表達(dá)，從而促進(jìn)大豆對(duì)CKs的響應(yīng)。同時(shí)GmRR11d也受根瘤菌誘導(dǎo)，并在根瘤原基形成期達(dá)到最高；但是GmRR11d過表達(dá)顯著抑制根瘤數(shù)量，而下調(diào)顯著增加根瘤數(shù)量，是結(jié)瘤的負(fù)向調(diào)控基因。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)GmRR11d通過兩種方式抑制結(jié)瘤基因表達(dá)：直接結(jié)合GmNINa啟動(dòng)子抑制其轉(zhuǎn)錄，也通過與GmNINa上游轉(zhuǎn)錄因子GmNSP1互作，抑制其對(duì)GmNINa的轉(zhuǎn)錄激活作用，從而抑制GmNINa及下游結(jié)瘤基因的表達(dá)。

 

　　AON是在根瘤原基形成時(shí)激活的。對(duì)于GmRR11d與GmRIC1/2相似的表達(dá)模式及AON啟動(dòng)時(shí)間的契合及對(duì)根瘤關(guān)鍵基因的直接抑制作用，研究人員推測(cè)GmRR11d很可能是AON與NF信號(hào)通路節(jié)點(diǎn)因子。進(jìn)一步的遺傳學(xué)、分子生物學(xué)及嫁接等實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，根瘤菌誘導(dǎo)的GmRR11d依賴于GmNARK，并且GmRR11d過表達(dá)互補(bǔ)GmNARK功能缺失突變體的超結(jié)瘤表型，從而明確了GmRR11d在結(jié)瘤過程中在地下承接AON信號(hào)，抑制NF信號(hào)活力和結(jié)瘤的作用。

 

　　細(xì)胞分裂素是豆科植物結(jié)瘤所必須的激素，促進(jìn)根瘤形成，也參與AON激活。本研究揭示了AON通過激活根部CKs信號(hào)直接抑制NF信號(hào)通路及提高根部細(xì)胞對(duì)CKs敏感性系統(tǒng)調(diào)控結(jié)瘤和根瘤數(shù)量的新機(jī)制：在低氮條件下，根瘤菌侵染誘導(dǎo)GmNSP1a激活GmNIN1a表達(dá)，在結(jié)瘤早期，GmRR11d和CKs水平較低，從而促進(jìn)結(jié)瘤并激活A(yù)ON；AON誘導(dǎo)GmRR11d 表達(dá)，GmRR11d通過直接與GmNINa啟動(dòng)子結(jié)合或者與GmNSP1a結(jié)合而抑制GmNIN1a表達(dá)，阻斷大豆根瘤進(jìn)一步形成，而AON誘導(dǎo)的CKs進(jìn)一步促進(jìn)GmRR11d 與GmNINa啟動(dòng)子結(jié)合加劇其轉(zhuǎn)錄抑制作用。綜上所述，本研究證明了CKs精細(xì)調(diào)控大豆結(jié)瘤的重要作用，解析了大豆AON信號(hào)通路與NF信號(hào)通路耦合調(diào)控根瘤數(shù)量的分子機(jī)制，對(duì)全面解析大豆共生固氮效率調(diào)控機(jī)制及遺傳改良培育高效固氮大豆新種質(zhì)具有重要意義。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀博士生陳嘉歡為本文第一作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授王志娟、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)教授王利祥為共同第一作者，李霞教授為通訊作者。德國(guó)海德堡大學(xué)的Chao Su 博士和Thomas Ott教授也參與了該項(xiàng)工作。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校自主科技創(chuàng)新基金、湖北省自然科學(xué)基金及嶺南實(shí)驗(yàn)室基金支持。

 

　　【英文摘要】

 

　　Key to the success of legumes is the ability to form and maintain optimal symbiotic nodules that enable them to balance the trade-off between symbiosis and plant growth. Cytokinin is essential for homeostatic regulation of nodulation, but the mechanism remains incompletely understood. Here, we show that a B-type response regulator GmRR11d mediates systemic inhibition of nodulation. GmRR11d is induced by rhizobia and low level cytokinin, and GmRR11d can suppress the transcriptional activity of GmNSP1 on GmNIN1a to inhibit soybean nodulation. GmRR11d positively regulates cytokinin response and its binding on the GmNIN1a promoter is enhanced by cytokinin. Intriguingly, rhizobial induction of GmRR11d and its function are dependent upon GmNARK that is a CLV1-like receptor kinase and inhibits nodule number in shoots. Thus, GmRR11d governs a transcriptional program associated with nodulation attenuation and cytokinin response activation essential for systemic regulation of nodulation.

 

　　原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35360-9