大豆团队揭示AON信号通路与NF信号通路耦合调控根瘤数量的分子机制

 

　　大豆与根瘤菌共生固氮为大豆提供充足的氮素，满足其生长发育和籽粒高蛋白对氮素的需求。但是共生固氮是一个耗能的过程，需要消耗大量的光合产物来实现。因此，大豆演化了结瘤自调控途径系统（AON）调控结瘤信号通路活力，从而实现对根瘤数量的精细调控，使宿主植物达到最佳生长和生殖效益。已有研究证明，在根瘤原基形成时产生的信号肽GmRIC1/2 （Rhizobiium induced CLE peptides）会到地上激活激酶受体GmNARK （Nodule Autoregulation Receptor Kinase），进而长距离抑制根瘤的进一步产生。而是什么基因介导AON与结瘤信号通路耦合控制最佳根瘤数量，背后的分子机制是怎样的的问题，仍存在很多未知。

 

　　前期研究发现AON抑制结瘤关键转录因子编码基因GmNINa （Nodule Inception）的表达 （Wang et al., 2019，Mol Plant）。为了深入鉴定整合AON与NF结瘤信号的节点基因并解析根瘤数量系统调控的分子机制，研究人员采用了酵母双杂交筛选GmNINa转录激活蛋白GmNSP1a （Nodulation Signaling Pathway 1）互作蛋白的工作，并鉴定到了一个编码细胞分裂素B型响应调节因子（Response Regulators，RRs）的基因-- GmRR11d并开展一系列的研究。研究发现，与经典B型RR基因不同，其表达受低浓度细胞分裂素诱导，GmRR11d增强大豆根部对细胞分裂素（CKs）的敏感性，并激活下游细胞分裂素标志基因的表达，从而促进大豆对CKs的响应。同时GmRR11d也受根瘤菌诱导，并在根瘤原基形成期达到最高；但是GmRR11d过表达显著抑制根瘤数量，而下调显著增加根瘤数量，是结瘤的负向调控基因。进一步的研究发现GmRR11d通过两种方式抑制结瘤基因表达：直接结合GmNINa启动子抑制其转录，也通过与GmNINa上游转录因子GmNSP1互作，抑制其对GmNINa的转录激活作用，从而抑制GmNINa及下游结瘤基因的表达。

 

　　AON是在根瘤原基形成时激活的。对于GmRR11d与GmRIC1/2相似的表达模式及AON启动时间的契合及对根瘤关键基因的直接抑制作用，研究人员推测GmRR11d很可能是AON与NF信号通路节点因子。进一步的遗传学、分子生物学及嫁接等实验结果证明，根瘤菌诱导的GmRR11d依赖于GmNARK，并且GmRR11d过表达互补GmNARK功能缺失突变体的超结瘤表型，从而明确了GmRR11d在结瘤过程中在地下承接AON信号，抑制NF信号活力和结瘤的作用。

 

　　细胞分裂素是豆科植物结瘤所必须的激素，促进根瘤形成，也参与AON激活。本研究揭示了AON通过激活根部CKs信号直接抑制NF信号通路及提高根部细胞对CKs敏感性系统调控结瘤和根瘤数量的新机制：在低氮条件下，根瘤菌侵染诱导GmNSP1a激活GmNIN1a表达，在结瘤早期，GmRR11d和CKs水平较低，从而促进结瘤并激活AON；AON诱导GmRR11d 表达，GmRR11d通过直接与GmNINa启动子结合或者与GmNSP1a结合而抑制GmNIN1a表达，阻断大豆根瘤进一步形成，而AON诱导的CKs进一步促进GmRR11d 与GmNINa启动子结合加剧其转录抑制作用。综上所述，本研究证明了CKs精细调控大豆结瘤的重要作用，解析了大豆AON信号通路与NF信号通路耦合调控根瘤数量的分子机制，对全面解析大豆共生固氮效率调控机制及遗传改良培育高效固氮大豆新种质具有重要意义。

 

　　华中农业大学在读博士生陈嘉欢为本文第一作者，华中农业大学副教授王志娟、山西农业大学教授王利祥为共同第一作者，李霞教授为通讯作者。德国海德堡大学的Chao Su 博士和Thomas Ott教授也参与了该项工作。研究工作得到了国家自然科学基金、华中农业大学校自主科技创新基金、湖北省自然科学基金及岭南实验室基金支持。

 

　　【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.

 

　　原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35360-9