Nature Commun | 丁兆军/张大健合作团队揭示GmERF13转录因子介导盐胁迫信号抑制大豆结瘤的新机制

氮素是植物生长发育所必需的重要营养元素，如何提高作物的氮素利用效率一直是植物营养学研究的热点。豆科植物通过与根瘤菌的共生固氮作用，形成了自然界中最重要的生物固氮体系之一。在根瘤菌固氮酶的催化下，豆科植物能够将空气中的氮气转化为可被植物吸收利用的氨。因此，提升豆科作物的结瘤固氮能力对于推动可持续绿色农业发展具有重要意义。豆科植物共生根瘤发育需要经过多个复杂的生物学过程，包括豆科植物与根瘤菌的相互识别、根瘤菌的侵染、根瘤起始、根瘤生长、固氮和根瘤衰老。而且根瘤发育和共生固氮过程受到多种非生物胁迫的影响,其中盐胁迫很早就被报道抑制了根瘤菌侵染豆科植物、根瘤发育和固氮效率等过程，但目前对于这种现象的遗传和分子机制还很不清楚。

近日，山东大学丁兆军教授团队与山东农业大学张大健教授团队合作在Nature Communications上发表题为GmERF13 mediatessalt inhibition of nodulation through interacting with GmLBD16a in soybean的研究论文，解析了盐胁迫通过诱导GmERF13转录因子调控大豆根瘤发育和结瘤的分子机制。该研究不仅揭示了AP2/ERF转录因子GmERF13通过与GmLBD16a相互作用调控大豆结瘤的关键分子机制，还揭示了盐胁迫通过诱导GmERF13抑制大豆共生结瘤和根瘤固氮的重要新机制。

为了解析盐胁迫抑制大豆结瘤的分子机制，该研究通过比较转录组学分析，筛选并鉴定到实验室前期鉴定到的拟南芥侧根发生重要调控因子ERF13的大豆同源基因GmERF13受到盐胁迫显著诱导上调表达。表型分析发现，GmERF13的过表达和敲除突变体分别导致大豆根瘤密度和数量显著减少和增加，表明GmERF13是大豆结瘤的负调控因子。进一步分析发现，GmERF13与结瘤关键因子GmLBD16a相互作用，通过干扰GmLBD16a对下游基因GmEXP17c的启动子的结合，影响GmLBD16a的转录活性，进而抑制大豆的结瘤过程。表型分析发现，GmEXP17在大豆结瘤过程中位于GmERF13和GmLBD16a的下游正调控大豆的根瘤发生过程。该研究还发现，盐胁迫诱导GmERF13转录表达依赖于ABA信号，ABA信号通路的关键转录因子GmABI5通过直接结合GmERF13的启动子并激活其转录表达。

综上所述，该研究揭示了GmABI5-GmERF13-GmLBD16a-GmEXP17分子模块在盐胁迫下抑制大豆根瘤发生和固氮过程中的关键作用（图1）。这一发现不仅深化了我们对盐胁迫抑制大豆结瘤与固氮分子机制的理解，也为未来基于盐碱地的分子设计育种提供了重要的候选基因。

图1 GmERF13介导盐胁迫信号抑制大豆结瘤的分子机制

山东大学在读博士研究生朱馨芳为该论文第一作者，丁兆军教授和张大健教授为通讯作者。山东大学在读博士研究生闫锡凤，李为珺，张蒙悦，冷俊辰对此做出重要贡献。聊城大学于倩倩博士，刘立科教授，杭州师范大学薛大伟教授参与了该研究。该研究得到国家重点研发计划、山东省泰山学者专项基金以及微生物技术国家重点实验室校内联合项目基金的资助。

丁兆军课题组主要围绕植物根系发育与大豆根瘤固氮分子机制开展研究，近年来取得一系列进展。该团队近期揭示了大豆在生长早期根瘤快速增加的分子机制 (点击查看：)；解析了VIK激酶介导生长素信号调控侧根发生的重要新机制 (点击查看：）；解析了MAC3A/3B-ERF13分子模块介导生长素信号促进侧根萌发的重要角色 (点击查看：）；揭示了MPK3/6-STOP1模块在根尖中维持最佳生长素信号以保持干细胞稳态 (点击查看：）。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-55495-1