New Phytologist | 湖南大学潘怀荣团队发现豆科植物根瘤非侵染细胞调控根瘤碳氮代谢的新机制

豆科植物如蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）等能够通过招募根瘤菌、形成根瘤进行共生固氮，这一高效、环境友好的氮肥获取方式为农业可持续发展提供了潜力巨大的解决方案。长久以来，相关研究主要集中于含有共生体（symbiosome，根瘤菌完全进入植物细胞内部形成的类细胞器结构）的根瘤侵染细胞。环绕其周围的非侵染细胞虽然普遍存在，却被视为辅助角色，其功能也长期没有得到阐明。

近期，湖南大学生物学院潘怀荣团队在国际知名植物学期刊New Phytologist上发表了题为Uninfected cell-specific enzymes coordinate carbon supply and nitrogen assimilation inMedicago truncatulanodules的研究论文，报道了根瘤非侵染细胞功能研究方面的新进展。

本研究中，作者们鉴定出蒺藜苜蓿debino4突变体，该突变导致根瘤早衰和共生体在终末分化后迅速衰亡的表型。正向遗传学方法发现，DEBINO4基因编码根瘤特异表达的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）。PEPC是一种关键酶，将磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和碳酸氢根转化为草酰乙酸。在苹果酸脱氢酶的作用下，草酰乙酸可以被转化为苹果酸。苹果酸是根瘤细胞提供给共生体的主要碳源形式。同时，草酰乙酸还参与氮同化，提供碳骨架将生物固氮反应获得的氮整合为氨基酸。代谢组学分析证实，debino4突变体中PEP几乎消失，草酰乙酸、苹果酸、丙酮酸等碳代谢物减少50%，谷氨酰胺、天冬氨酸、天冬酰胺等氮同化中间体也显著降低。

有趣的是，本研究发现，DEBINO4基因几乎只在根瘤非侵染细胞中表达，表明非侵染细胞在根瘤碳氮代谢中有着重要功能。本研究也发现DEBINO4活性受保守的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶激酶PPCK1和PPCK2调控，PPCK1和PPCK2能够和DEBINO4直接互作。CRISPR/Cas9双敲除PPCK1和PPCK2后根瘤表现出和debino4类似的早衰表型。更重要的是，PPCK1也是在根瘤非侵染细胞特异表达。

作者们还关注了根瘤碳氮代谢网络的其它关键节点基因。研究发现，根瘤谷氨酰胺合成酶1a（GS1a）同样专一表达于非侵染细胞的细胞质中，参与生成谷氨酰胺。敲除GS1a也展现出和debino4类似的根瘤细胞早衰表型。此外，作者们还发现：谷氨酸合成酶GOGAT1、天冬氨酸氨基转移酶AAT1、天冬酰胺合成酶AS1/2均是在非侵染细胞特异表达。这些蛋白组成了非侵染细胞内完整的氮同化网络——GS1a-GOGAT1循环产生谷氨酸，AAT1利用OAA和谷氨酸生成天冬氨酸，最终由AS1/2把天冬氨酸转化为天冬酰胺（苜蓿根瘤主要的氮输出形式）。

这些发现修正了传统认知：非侵染细胞并非只有物质储存的简单作用，而是共生固氮过程的碳氮代谢枢纽。非侵染细胞产生苹果酸供应侵染细胞固氮，侵染细胞转运固定后的氮至非侵染细胞进行氮同化，两类细胞形成互补分工。该发现为研究不同类型根瘤细胞之间的物质转运机制奠定了基础，也为解析根瘤碳氮代谢调控网络提供了新框架。

湖南大学生物学院是论文第一单位，潘怀荣课题组的3位已毕业硕士生谢涛、王卢英、吕金枝是本论文的共同第一作者，本论文的实验由3位同学接力完成。兰州大学生科院陈汝进教授、陈玉辉副教授、潘怀荣课题组已毕业硕士生吴鸿斌对本研究有重要贡献。潘怀荣教授是论文通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金和湖南省自然科学基金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/nph.70560