锌作为新型植物第二信使，调控根瘤共生固氮效率

作者：iPlants 2024/6/28 10:42:39

北京时间6月26日，Nature在线报道丹麦奥胡斯大学林杰顺团队及合作者的突破性研究成果--氮素通过新型植物第二信使-锌和新型锌感受器FUN调控根瘤共生固氮效率。这一突破有望在减少化肥使用的同时提高作物产量。豆科植物能够与根瘤菌共生产生根瘤，在根瘤中根瘤菌固定充足的氮素为植物所用(共生固氮)，因此豆科作物无需施用氮肥仍能获取可观的收成。然而在现在农业生产实践中，由于过度使用氮肥，共生固氮被抑制，这

北京时间6月26日，Nature在线报道丹麦奥胡斯大学林杰顺团队及合作者的突破性研究成果--氮素通过新型植物第二信使-锌和新型锌感受器FUN调控根瘤共生固氮效率。这一突破有望在减少化肥使用的同时提高作物产量。

豆科植物能够与根瘤菌共生产生根瘤，在根瘤中根瘤菌固定充足的氮素为植物所用(共生固氮)，因此豆科作物无需施用氮肥仍能获取可观的收成。然而在现在农业生产实践中，由于过度使用氮肥，共生固氮被抑制，这一现象被称为氮阻遏。通过一系列研究科学家们发现氮素可通过多条途径抑制根瘤形成。但即使处在高浓度氮素环境下豆科植物仍能形成少数发育不完全的根瘤，成熟根瘤则无一例外的衰老并且失去固氮功能。这暗示着在根瘤中存在独特或者额外机制更加精细的调控根瘤共生固氮。

为了回答这一问题，我们首先通过遗传筛选在高氮条件下根瘤仍呈现出红色(通常具有固氮功能)的百脉根(Lotus japonicus)突变体。在筛选约15万棵突变体后，我们得到多个能在高氮条件下维持根瘤固氮功能的突变体。其中最有意思当属FUN (Fixation Under Nitrate)。野生型植物的根瘤在高氮处理后由红变绿并且丧失固氮功能，而fun突变体仍能形成粉色根瘤，并且具有较高的固氮活性。通过测序发现该突变体是由于缺失一个bZIP类转录因子所造成，我们把该基因命名为FUN；FUN包括bZIP DNA 结合结构域和一个sensor结构域。有意思的是，该基因为豆科植物所特有并且只在根瘤中表达(图1)。随后我们通过RNA测序、遗传和生化等实验证明FUN 可以通过调控固氮(HO1)，根瘤衰老(NAC094)和硝酸盐信号(NRT2.1, NRT3.1和AS1)等多条途径控制根瘤共生固氮(图2)。

我们发现FUN的转录水平不受氮素影响，并且通过蛋白结构预测sensor结构域很可能感受某种配体(ligand)。由此我们表达FUN sensor结构域来探寻它的配体。在尝试不同氮素和金属离子后，我们发现FUN sensor特异对锌(Zinc)起反应。通过蛋白质负染发现在处理锌离子后FUN sensor能够形成巨大的丝状体(filamentation),而在加入锌离子耦合剂EDTA后丝状体随即消失(图3a)。

由于这些都是体外实验，接着我们在百脉根根中表达与GFP融合的FUN蛋白。未作处理时，FUN均匀的分布在细胞核中，但在处理锌离子后FUN在细胞核内行成凝聚体(condensate)。同时，我们在烟草叶片的转录激活实验证明高浓度的锌离子确实能够抑制FUN对下游基因的激活。最后，我们发现短时间的高氮处理(在共生固氮被抑制前)根瘤锌含量显著下降(图3)。这些结果表明锌可以作为第二信使将土壤中氮素营养转换为根瘤的锌浓度信号，随后被它的sensor FUN解析并调控根瘤共生固氮。低氮时，根瘤中存在大量锌，FUN形成非活性的丝状体，因此根瘤得以充分固氮；当植物处在高氮环境里，根瘤锌含量下降，FUN 从丝状体中解离成活性状态调控多条途径抑制根瘤共生固氮并且促进根瘤衰老(图4)。