Nature Commun | 中国科学院南京土壤所陈志长课题组揭示硫元素延缓大豆根瘤衰老、维持高效固氮的机制

豆科作物与根瘤菌的共生固氮体系，是农业生产中重要的天然氮源。这一体系的核心器官——根瘤的功能已得到广泛研究。在共生固氮过程中，根瘤菌固定的氮会输送给宿主植物，以此换取宿主植物提供的碳源和必需的矿质养分。根瘤的寿命只有10-12周，受自然衰老与环境胁迫共同调控。因此，深入解析根瘤的衰老机制，并延缓这一进程，可以为化肥减施提供潜在策略。

近期，中国科学院南京土壤研究所陈志长课题组在Nature Communications杂志上发表了题为Maintaining sulfur supply to the symbiosome delays nodule senescence in soybean的研究论文，揭示了由硫转运蛋白（SULTR）介导的硫输入是调节根瘤衰老的关键步骤，为通过延长根瘤寿命来提高豆科植物的共生固氮效率提供了新策略。

该课题组之前研究发现，高氮会阻止铁元素从根瘤非侵染细胞向共生体的转运（Nature Communications, 2024）。除了铁之外，离子组学测定发现，共生体中的硫、钼、镁、钾和磷等元素也出现了不同程度的减少，其中硫的下降程度最高（图1a-b）。随着高氮处理时间的延长，根瘤中硫含量呈现持续下降趋势（图1c-d）。在缺硫的条件下，高氮胁迫对根瘤共生固氮的抑制作用随时间推移逐渐增强（图1e），并伴随着根瘤颜色由红色向绿色的转变，该现象通常指示根瘤的衰老（图1f）。这些结果表明，硫元素在高氮诱导的根瘤衰老过程中具有关键调控作用。

图1. 硫参与根瘤的衰老过程

此外，本研究发现了两对在根瘤中特异性高表达的硫转运蛋白基因SULTR2;1a&2;1b与SULTR3;5a&3;5b，他们分别负责硫酸盐向根瘤的侵染细胞和共生体中转运。在双敲除突变体sultr2;1ab和sultr3;5ab中，根瘤固氮能力出现显著缺陷，同时根瘤固氮区均呈绿色（图2）。进一步研究表明，这些突变体中谷胱甘肽水平显著下降。这种下降削弱了根瘤清除活性氮的能力，从而加速了根瘤衰老的进程。值得注意的是，通过基因操作手段降低根瘤菌中活性氮的产生或增加大豆根瘤中的硫输入，可以有效缓解高氮诱导的根瘤衰老。

图2. SULTR介导的硫转运调控根瘤衰老

综上所述，该研究系统阐明了硫转运、活性氮与根瘤衰老之间的内在联系，为通过遗传改良手段延长根瘤寿命、提升大豆共生固氮效率提供了新的理论依据与育种策略。

中国科学院南京土壤研究所陈志长研究员为本文的通讯作者，该课题组和福建农林大学的联合培养博士生李圆以及已毕业硕士生聂苗苗和李丹妮为论文共同第一作者。中国科学院南京土壤研究所沈仁芳研究员参与了这项研究。同时，该研究在材料和技术方面也得到了华中农业大学端木德强、中国农业大学焦健以及宁波大学的毛倩卓等科研人员的帮助和支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64708-0