大豆與根瘤菌共生固氮為大豆提供充足的氮素，滿足其生長發(fā)育和籽粒高蛋白對氮素的需求。但是共生固氮是一個耗能的過程，需要消耗大量的光合產物來實現(xiàn)。因此，大豆演化了結瘤自調控途徑系統(tǒng)(AON)調控結瘤信號通路活力，從而實現(xiàn)對根瘤數(shù)量的精細調控，使宿主植物達到最佳生長和生殖效益。已有研究證明，在根瘤原基形成時產生的信號肽GmRIC1/2 (Rhizobiium induced CLE peptides)會到地上激活激酶受體GmNARK (Nodule Autoregulation Receptor Kinase)，進而長距離抑制根瘤的進一步產生。而是什么基因介導AON與結瘤信號通路耦合控制最佳根瘤數(shù)量，背后的分子機制是怎樣的的問題，仍存在很多未知。

前期研究發(fā)現(xiàn)AON抑制結瘤關鍵轉錄因子編碼基因GmNINa (Nodule Inception)的表達 (Wang et al., 2019.Mol Plant)。為了深入鑒定整合AON與NF結瘤信號的節(jié)點基因并解析根瘤數(shù)量系統(tǒng)調控的分子機制，研究人員采用了酵母雙雜交篩選GmNINa轉錄激活蛋白GmNSP1a (Nodulation Signaling Pathway 1)互作蛋白的工作，并鑒定到了一個編碼細胞分裂素B型響應調節(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)，與經典B型RR基因不同，其表達受低濃度細胞分裂素誘導，GmRR11d增強大豆根部對細胞分裂素(CKs)的敏感性，并激活下游細胞分裂素標志基因的表達，從而促進大豆對CKs的響應。同時GmRR11d也受根瘤菌誘導，并在根瘤原基形成期達到最高;但是GmRR11d過表達顯著抑制根瘤數(shù)量，而下調顯著增加根瘤數(shù)量，是結瘤的負向調控基因。進一步的研究發(fā)現(xiàn)GmRR11d通過兩種方式抑制結瘤基因表達：直接結合GmNINa啟動子抑制其轉錄，也通過與GmNINa上游轉錄因子GmNSP1互作，抑制其對GmNINa的轉錄激活作用，從而抑制GmNINa及下游結瘤基因的表達。

AON是在根瘤原基形成時激活的。對于GmRR11d與GmRIC1/2相似的表達模式及AON啟動時間的契合及對根瘤關鍵基因的直接抑制作用，研究人員推測GmRR11d很可能是AON與NF信號通路節(jié)點因子。進一步的遺傳學、分子生物學及嫁接等實驗結果證明，根瘤菌誘導的GmRR11d依賴于GmNARK，并且GmRR11d過表達互補GmNARK功能缺失突變體的超結瘤表型，從而明確了GmRR11d在結瘤過程中在地下承接AON信號，抑制NF信號活力和結瘤的作用。

細胞分裂素是豆科植物結瘤所必須的激素，促進根瘤形成，也參與AON激活。本研究揭示了AON通過激活根部CKs信號直接抑制NF信號通路及提高根部細胞對CKs敏感性系統(tǒng)調控結瘤和根瘤數(shù)量的新機制：在低氮條件下，根瘤菌侵染誘導GmNSP1a激活GmNIN1a表達，在結瘤早期，GmRR11d和CKs水平較低，從而促進結瘤并激活AON;AON誘導GmRR11d 表達，GmRR11d通過直接與GmNINa啟動子結合或者與GmNSP1a結合而抑制GmNIN1a表達，阻斷大豆根瘤進一步形成，而AON誘導的CKs進一步促進GmRR11d 與GmNINa啟動子結合加劇其轉錄抑制作用。綜上所述，本研究證明了CKs精細調控大豆結瘤的重要作用，解析了大豆AON信號通路與NF信號通路耦合調控根瘤數(shù)量的分子機制，對全面解析大豆共生固氮效率調控機制及遺傳改良培育高效固氮大豆新種質具有重要意義。

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

【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