中科院分子植物卓越中心谢芳课题组揭示了硝酸盐负调控蒺藜苜蓿根瘤形成的分子机制

来源 | Mol Plant植物科学

氮是植物生长发育所必须的大量营养元素之一。为了适应缺氮的土壤环境，豆科植物演化出与根瘤菌共生固氮的方式来获得空气中的氮源。但是共生固氮一个是高耗能的过程，需要消耗植物大量的光合产物。因此，豆科植物必须严格控制根瘤数量和固氮活性，平衡植物自身正常发育和固氮间的关系。当土壤中存在高浓度的氮素时，共生固氮过程，包括根瘤菌侵染、根瘤器官起始与发育及固氮酶活性等，都会被抑制。之前的研究表明，豆科植物可以通过两种长距离途径来介导这一过程。一种是高氮激活CLE基因的表达，通过AON途径（autoregulation of nodulation）抑制根瘤的形成。而另一种是高氮抑制CEP基因的表达，进而抑制CEP/CRA2促进根瘤的形成。

2018年，Lin et al.和Nishida et al.分别在蒺藜苜蓿和百脉根中发现NLP类转录因子在调控硝酸盐抑制根瘤共生的过程中发挥着重要作用【1,2】。在蒺藜苜蓿中，NLP1通过与共生信号核心转录因子NIN相互作用，抑制NIN对下游靶标基因的激活，从而抑制共生过程。而在百脉根中，NRSYM1（LjNLP4）通过激活CLE-RS2小肽信号并传递到地上部，通过AON途径系统性抑制根瘤形成。在蒺藜苜蓿中NLP1是否也能通过AON途径以及CEP/CRA2途径抑制根瘤的形成目前还不清楚。

2021年3月27日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心谢芳课题组在Plant communications在线发表了题为NLP1 reciprocally regulates nitrate inhibition of nodulation through SUNN-CRA2 signaling in Medicago truncatula的研究论文，揭示了硝酸盐负调控蒺藜苜蓿根瘤形成的分子机制。

之前的研究表明，小肽基因CLE35受根瘤菌和硝酸盐的诱导，并通过CLE/SUNN这一AON途径负调根瘤的形成【3, 4】。在该研究中，作者发现CLE35基因受根瘤菌和硝酸盐诱导表达，且该诱导分别依赖于转录因子NIN和NLP1。此外转录激活、 酵母单杂、EMSA等实验证明了NLP1能直接结合CLE35的NRE（nitrate response element）元件并激活CLE35基因的表达。通过对nlp1 和sunn的嫁接试验以及sunn nlp1 双突变体表型分析发现，硝酸盐抑制根瘤的数目是由SUNN介导的系统性通路AON途径调控。这说明硝酸盐通过NLP1激活CLE35/SUNN 通路抑制根瘤的产生。

接着作者也探索了NLP1与另一系统性通路CEP/CRA2之间的关系。通过嫁接实验发现，硝酸盐通过NLP1负调根瘤数目依赖于植物地上部的CRA2。有意思的是，地上部的CRA2促进根瘤的数目，而地下部的CRA2却抑制根瘤的形成。通过RT-qPCR、启动子融合GUS以及体外施加合成的CEP1小肽等实验，发现地下部的CRA2通过负反馈的方式抑制CEP基因的表达，进而抑制CEP对根瘤的促进作用。

总之，该研究表明硝酸盐通过诱导NLP1入核，激活CLE35的表达，并通过SUNN介导的AON途径抑制根瘤的形成。另一方面，地下部的CRA2通过负反馈调控的方式抑制CEPs基因的表达，进一步抑制CEP小肽通过地上部的CRA2促进根瘤的形成。该研究结果拓展了豆科植物对硝酸盐响应的结瘤调控机制。

谢芳课题组在读博士生罗振鹏和已毕业的博士生林杰顺为论文的共同第一作者，谢芳研究员为本文的通讯作者。李晓琳副研究员、博士生朱亚丽和付梦娣也参与了本研究。该研究得到了国家重点研发计划项目以及国家自然科学基金项目的资助。

参考文献

1. Lin, J.S., et al., NIN interacts with NLPs to mediate nitrate inhibition of nodulation in Medicago truncatula. Nat Plants, 2018. 4(11): p. 942-952.

2. Nishida, H., et al., A NIN-LIKE PROTEIN mediates nitrate-induced control of root nodule symbiosis in Lotus japonicus. Nat Commun, 2018. 9(1): p. 499.

3. Mens, C., et al., Characterisation of Medicago truncatula CLE34 and CLE35 in nitrate and rhizobia regulation of nodulation. New Phytol, 2021. 229(5): p. 2525-2534.

4. Moreau, C., P. Gautrat, and F. Frugier, Nitrate-induced CLE35 signaling peptides inhibit nodulation through the SUNN receptor and miR2111 repression. Plant Physiology, 2021.

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2021.100183