根瘤共生是宿主植物与微生物在共生过程中形成固氮“器官”根瘤完成养分交换的共生关系。豆科植物形成根瘤以容纳根瘤菌，从而建立种间相互作用。化学信号分子介导了寄主植物和根瘤菌在根中的第一次接触，其中豆科植物根系感知根瘤菌分泌的结瘤因子，在侵染部位启动一系列结瘤过程。这种共生关系只发生在根瘤中，为根瘤菌提供了适宜的固氮环境，并阻止根瘤菌扩散。虽然共生过程是由根瘤菌产生的信号分子启动的，但豆科植物通过优化根瘤的数量和分布来控制共生的程度，维持根的功能。

最近的研究发现，豆科植物的根瘤形成和拟南芥的侧根形成具有共同的调控成分。在拟南芥根尖区域，生长素每隔4至6小时出现周期性反应。这种周期性的生长素反应可能决定了侧根的空间排列。在豆科植物中，根瘤菌侵染区沿着根轴交替分布，而根瘤往往以规则的间隔模式分布。在接种根瘤菌后，可以观察到在早期共生相互作用阶段相关基因的表达。这种表达模式暗示了在生长根的敏感区域，寄主基因在响应根瘤菌感染时的间歇性表达。然而，这种周期性基因表达和对根瘤菌反应的潜在调控机制尚不清楚。

近日，日本基础生物学研究所团队在Science发表了题为Periodic cytokinin responses in Lotus japonicus rhizobium infection and nodule development的研究论文，通过活体成像和转录组分析发现在根瘤菌侵染后，百脉根相关基因六小时为一周期进行周期性表达，细胞分裂素含量也存在类似周期。

作者构建结瘤相关基因NSP1启动子驱动的荧光素基因（Luciferase，LUC)的百脉根转基因植株，使用荧光素处理进行活体形象，结果发现根系周围LUC表达量上升，且周期约为6小时。这种周期变化随根的生长显著改变，且在LUC表达高的区域根瘤显著聚集。为了研究在周期表达过程中的基因表达变化，作者使用1-12cm的根尖片段，间隔6-7小时取样进行转录组测序。结果显示，在根瘤菌侵染的根中出现了周期性的基因表达模式，包括已知的结节相关基因NSP1参与了该过程的维持。

接下来，作者使用双分子荧光监测细胞分裂素的变化，并观察到了接种根瘤菌后细胞分裂素含量的周期变化。通过幼苗接种培养实验证实细胞分裂素不直接激活NIN和NSP1启动子，而是存在抑制作用。而生长素、乙烯、赤霉素、脱落酸都没有出现周期性模式，证明该过程是细胞分裂素独有的。使用百脉根组氨酸激酶(LHK1)编码的细胞分裂素受体研究细胞分裂素信号对周期性共生基因的表达，结果发现细胞分裂素信号通过下调根瘤菌诱导的基因表达来维持该周期性模式，且该过程时间非常精确。

最后，作者研究了周期性基因表达如何影响根的空间表达模式和根瘤菌侵染位置。结果表明，细胞分裂素信号转导是维持NSP1周期性表达的必要条件，而NSP1表达的区域可以观察到根瘤菌侵染，证实共生相关基因的表达影响了根瘤的分布。

综上所述，通过活体成像和转录组结果分析证实，细胞分裂素对于豆科植物与根瘤菌共生至关重要。细胞分裂素信号维持了相关基因的周期表达，影响着根瘤分布。该研究加深了我们对细胞分裂素信号影响植物与微生物共生关系的理解，为激素调控基因周期性表达及其对植物生长的意义提供了新的证据。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5589