Plant Physiol | 华中农业大学生物固氮团队揭示乙烯调控大豆根瘤衰老的分子机制

近日，华中农业大学农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室生物固氮团队在Plant Physiology上发表了题为Soybean ethylene response factors GmENS1 and GmENS2 promote nodule senescence的研究论文。该研究鉴定到大豆中两个受乙烯诱导的关键AP2/ERF转录因子—GmENS1和GmENS2，GmENS1/2能直接靶标GmNAC039/018/030的启动子来激活其表达，进而促进大豆根瘤衰老。该研究揭示了乙烯调控大豆根瘤衰老的分子机制，为大豆根瘤固氮和氮高效吸收提供了理论基础。

根瘤衰老受内在信号（植株生长发育）和外界信号（逆境条件和高氮肥）的调控。根瘤衰老的生理变化主要包括固氮酶活的急剧下降、豆血红蛋白含量降低、共生体膜液泡化、类菌体分布异常、衰老标志基因如木瓜蛋白酶样半胱氨酸蛋白酶（CYPs）基因的高度表达等。然而，根瘤衰老的分子调控机制仍不清楚。在2023年，曹扬荣教授课题组鉴定到两个关键的NAC转录因子GmNAC039和GmNAC018，它们直接靶标木瓜类半胱氨酸蛋白酶基因GmCYP35/37/39/45的启动子并诱导其表达来促进大豆根瘤衰老（Yu et al., Plant Cell，2023）。广州大学关跃峰教授课题组和华中农业大学端木德强教授课题组分别从大豆和百脉根中鉴定到调控硝酸盐介导根瘤衰老的NAC转录因子 (Wang et al., Nat Commu, 2023; Wang et al., New Phytol, 2023)。以上研究表明，NAC转录因子是在根瘤衰老调控中发挥关键作用。

根瘤作为植物特化的器官，其衰老受到内源发育程序和外源环境信号的严格调控，乙烯是参与植物器官衰老和果实成熟的主要激素，该研究揭示了乙烯作为关键的内源信号，通过GmENS1/2激活GmNAC-CYP信号模快，调控大豆根瘤衰老。在前期研究基础上，本研究进一步探究大豆根瘤衰老的激活机制，发现了植物激素乙烯可以显著促进大豆根瘤衰老。基于衰老根瘤和乙烯处理根瘤的转录组数据，研究人员鉴定到10个在衰老根瘤和乙烯处理根瘤中上调表达的AP2/ERF转录因子。进一步通过毛根转化实验，筛选到GmENS1和GmENS2（Ethylene required for soybean nodule senescence 1/2）是促进大豆根瘤衰老的关键转录因子。

为了进一步确定GmENS1/2在调控大豆根瘤衰老中的作用，研究人员借助于CRISPR-Cas9技术对GmENS1/2基因进行靶向敲除。研究发现，GmENS1/2的过表达显著促进根瘤衰老，而分别沉默或同时敲除GmENS1/2则显著延缓根瘤衰老，明确了GmENS1/2在介导大豆根瘤衰老的过程中具有关键作用，是大豆根瘤衰老的正调控因子。

为了进一步解析GmENS1/2调控大豆根瘤衰老的分子机制，研究人员通过酵母单杂交、烟草体内的转录激活实验和体外的EMSA等方法，并结合 启动子表达模式分析，鉴定到了GmENS1/2调控的靶基因。GmENS1/2可以直接靶向先前报导的能促进大豆根瘤衰老的GmNAC039/018/030的启动子并激活它们的转录。进一步研究发现，GmENS1/2诱导大豆根瘤衰老的表型部分依赖于GmNAC018/030/039。

该研究建立了乙烯调控大豆根瘤衰老的分子调控机制，即乙烯诱导的两个AP2/ERF转录因子GmENS1/2通过激活GmNAC039/018/030的表达，来介导根瘤衰老。由于乙烯是调控植物衰老最关键的植物激素，因此该信号模块可能是根瘤衰老调控内在信号通路。该研究不仅建立并完善了根瘤衰老的调控模型，也为大豆氮素高效吸收提供了关键的理论依据。

华中农业大学已出站博士后肖爱芳（现为海南大学南繁学院（三亚南繁研究院）副研究员）和华中农业大学博士研究生吴佳姗为该论文的共同第一作者，博士生王未匀、硕士生关郁欣和本科生庄梦婷参与了研究工作，曹扬荣教授和已出站博士后余海翔为共同通讯作者，华中农业大学郭晓黎教授和朱辉副教授参与合作研究。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及生科院龙云计划和百川计划等项目支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae363