Nature Commun | 福建农林大学陈志长课题组联合多家单位揭示无机氮调控大豆根瘤固氮的新机制

责编 | 王一

豆科植物与根瘤菌的共生固氮是农业生态系统中重要的绿色氮源，充分利用这一过程对我国绿色农业的可持续发展至关重要。然而，根瘤菌的固氮能力与土壤中氮的有效性呈显著负相关，大量施用无机氮肥会削弱豆科植物的共生固氮能力。因此，深入了解无机氮抑制共生固氮的机制，有助于制定出平衡根瘤固氮与土壤氮肥施用的科学策略。

铁（Fe）是豆科植物共生固氮过程中不可或缺的微量元素，参与固氮酶的合成、电子传递和微氧环境的维持。铁不仅构成固氮酶的核心部分，帮助将氮气转化为氨，还通过铁氧还蛋白和细胞色素参与电子传递，为固氮提供能量。此外，豆血红蛋白中的铁通过与氧气结合，维持根瘤菌所需的厌氧环境，确保固氮的顺利进行。因此，铁对于根瘤的生长发育和固氮功能至关重要。

近期，福建农林大学未来技术学院/海峡联合研究院陈志长课题组联合多家单位在Nature Communications杂志上发表了题为Inorganic nitrogen inhibits symbiotic nitrogen fixation through blocking NRAMP2-mediated iron delivery in soybean nodules的研究论文，揭示了一种无机氮调控大豆根瘤固氮的新机制，即通过影响铁的分配来调节共生固氮效率。这一发现为优化豆科农业系统中的氮肥和铁元素管理提供了参考。

该研究发现，添加无机氮会显著扰乱大豆根瘤中的铁稳态，从而影响共生固氮。这一过程的原因是无机氮抑制了一对铁转运蛋白基因NRAMP2a和2b（以下统称NRAMP2）的表达。NRAMP2主要定位于根瘤非侵染细胞的液泡膜上，影响铁向侵染细胞的转移，从而调节共生固氮的效率。与侵染细胞相比，非侵染细胞的研究长期以来较少受到关注。该研究首次鉴定出特异在非侵染根瘤细胞中的转运蛋白，进一步证明了非侵染细胞在铁储存中的关键作用，为共生固氮过程提供了必要的支持。

值得注意的是，NRAMP2b（先前称为DMT1）曾被报道定位于侵染细胞的共生体膜上，负责将铁转运至共生体内（Kaiser et al., Plant J., 2003）。然而，该研究的结果并未证实这一结论。相反，NRAMP2b/DMT1主要在非侵染细胞中发挥作用。结合该研究团队此前关于VTL1a的研究（Liu et al., New Phytol., 2020），该研究纠正了这一持续20多年的误解，并提出新的观点：NRAMP2促进铁从非侵染细胞向侵染细胞的转运，而VTL1a进一步帮助铁进入共生体，从而支持共生固氮。

此外，该研究揭示了一个新的NIGT1-NRAMP2调控模块在根瘤中的作用。拟南芥中的NIGT1同源基因已被鉴定为转录抑制因子，负调控与氮和磷相关的基因表达。该研究发现大豆根瘤中的NIGT1a&1b负调控NRAMP2的表达，揭示了一个新的依赖氮的铁转运调控途径。

该研究由福建农林大学未来技术学院/海峡联合研究院讲师周敏、博士生李圆以及硕士毕业生姚晓雷为论文共同第一作者，福建农林大学陈志长教授、广州大学关跃峰教授以及华中农业大学端木德强教授为共同通讯作者。宁波大学毛倩卓副研究员参与了这项研究。同时，该研究在材料上也得到了日本冈山大学马建锋教授，福建农林大学钟永嘉教授以及王文斐教授的帮助。该研究得到了国家自然科学基金面上项目的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-53325-y