氮是限制植物生长和生态系统生产力的重要营养元素之一。尽管大气中氮气含量丰富，但多数植物无法直接利用大气中的氮气。豆科植物通过与根瘤菌建立共生关系，在根部形成特化结构—根瘤，由根瘤菌讲氮气还原为植物可吸收利用的铵，从而实现生物固氮。这一过程不仅在自然生态系统氮循环中发挥关键作用，也对农业生产和减少化学氮肥依赖具有重要意义。然而，不同生活史类型的豆科植物如何调控其根瘤菌共生体，尤其是多年生木本豆科植物如何在长期生长周期中维持稳定、高效且低损伤的共生关系，仍是该领域的重要科学问题。
近日，由西南大学和布伦瑞克工业大学牵头，Kevin Oliphant博士进行科学协调的国际合作研究团队在Science Advances上发表了题为Symbiotic peptides modulate rhizobial physiology without terminal differentiation的研究论文。该研究鉴定出在刺槐（Robinia pseudoacacia）中存在一类此前未知的根瘤特异性小肽，并揭示其在调控根瘤菌固氮状态下的潜在功能。该发现为理解木本豆科植物长期固氮共生关系的维持机制提供了新的视角。
该研究在接种Mesorhizobium robiniae的刺槐根瘤中鉴定出7个编码富含脯氨酸和甘氨酸的根瘤特异性小肽基因，并将其命名为NPG。表达分析显示，NPG基因高度富集于根瘤，在邻近根组织中表达较低，在茎和叶中几乎不表达；未接种植株根中未检测到NPG转录本；时间动态分析表明，NPG表达并不发生于早期结瘤或预结瘤阶段，而是在根瘤形成并达到可分离大小后才被诱导，并可在接种后至少一年内持续维持较高水平（图1）。
图1 NPG基因的特异表达
进一步研究发现，免疫荧光定位显示NPG信号主要富集于刺槐根瘤中央固氮区的一部分受感染宿主细胞中，呈点状分布，并位于根瘤菌附近但不进入细菌细胞内部。该定位模式表明，NPG的积累与细胞感染状态密切相关，可能参与植物—微生物界面处的共生调控（图2）。
图2 NPG在根瘤细胞中呈现点状定位
综上所述，该研究揭示了刺槐固氮共生体系中一种新的宿主调控机制。与一年生豆科植物中常见的终末分化型调控不同，刺槐通过根瘤特异性NPG肽调节根瘤菌基因表达，在增强固氮功能的同时保持细菌活性和增殖能力。这一发现不仅丰富了豆科植物—根瘤菌互作的分子机制图景，也为理解多年生木本植物长期共生系统的稳定维持提供了重要参考。随着相关机制的进一步解析，NPG肽及其介导的温和型共生调控策略，或将为可持续农业和生物固氮利用研究开辟新的方向。
西南大学资源环境学院胡斌教授和布伦瑞克工业大学植物生物研究所Robert Hänsch教授为共同第一作者，布伦瑞克工业大学植物生物研究所Kevin Oliphant博士（目前就职于牛津大学）为通讯作者。这项研究汇集了来自植物生物学、微生物学、物理化学和地质力学等领域的研究人员。除布伦瑞克工业大学和重庆西南大学外，位于布伦瑞克的亥姆霍兹感染研究中心、亥姆霍兹慕尼黑中心以及位于耶拿的莱布尼茨天然产物研究与感染生物学研究所也参与了该研究。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed2816
热门跟贴