Cell Host & Microbe | 王二涛团队/伊廷双团队合作破译根瘤共生演化密码

近日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究员团队联合中国科学院昆明植物研究所伊廷双研究员，山东农业大学李德铢研究员在Cell Host & Microbe发表了题为Evolution of Root Nodule Symbiosis via Paleopolyploidy and Modular Pathway Rewiring的研究论文，建立了共生固氮演化的主体框架，呈现了根瘤共生调控网络从起源、重组到优化的完整历程，为非豆科植物共生固氮奠定了理论基础。

氮元素是植物生长的“刚需”养分。地球上大气中78%的成分为氮气，但植物却难以直接利用。而豆科等固氮植物在长期进化中演化出了一套独特的生存策略——根瘤共生（Root Nodule Symbiosis, RNS）。植物通过与根瘤菌“联手”，把空气中的氮气转化为植物可吸收的氨态氮，实现“自给自足”的营养供给。这种能力不仅是植物适应贫瘠土壤的进化智慧，也是维系陆地生态系统氮循环的关键环节。该研究涵盖194个已发表基因组及10个新测序基因组，共204个植物基因组，首次在单基因层面揭开了这一复杂性状的演化密码，为未来培育“自带氮肥厂”的作物提供了新的理论依据和可能路径.

百万年演化谜题：生物固氮能力为何如此“稀有”？

根瘤共生固氮并非植物的普遍特征，它仅存在于豆目、葫芦目、壳斗目和蔷薇目组成的“固氮支系”中，并且该支系28个科里仅有10个科演化出此能力。长期以来，科学界围绕其演化机制一直存在争议：究竟是“一次起源后多次丢失”，还是“祖先埋下伏笔后多次获得”？ 尽管已有大量研究揭示了参与共生固氮的关键基因，但始终缺乏基于单基因层面的系统演化框架，来全面解释这一复杂性状的起源与演变。

传统的突变体和功能基因研究鉴定出多个参与共生固氮的关键基因，却难以勾勒出共生固氮整体调控网络的演化轨迹。针对这一瓶颈，该研究建立了一套系统发育与比较基因组相结合的新方法，突破了基因组重排和重复带来的分析障碍。本研究对194 个已发表基因组和 10 个新测序基因组展开深度解析，构建了覆盖整个固氮支系的高分辨率系统发育框架。通过追溯关键基因的起源、扩张与重布线过程，首次系统绘制根瘤共生固氮演化的完整蓝图（图1）。

图1：共生固氮的演化全景图

关键突破：三次“基因革新”造就固氮能力

研究表明，根瘤共生的形成并非偶然，而是经历了三次关键性的“基因革新”，每一步都为这一复杂性状的诞生与优化奠定了基础。

1. 古老的“基因储备库”：γ古六倍体事件

在核心真双子叶植物的演化历程中，一次关键的基因组加倍事件（γ古六倍体）产生了大量重复基因。其中许多基因逐渐演化出与共生相关的功能，成为构建共生固氮的“基因原材料”。研究发现，这些起源于γ事件的基因中，富集了大量结瘤诱导基因和固氮关键基因（如NIN、NFP、CNGCa），它们是演化埋下的“伏笔”，为后续固氮网络的组装提供了基础。

2. 初始网络的诞生：三条通路的“跨界合作”

在95-100百万年前固氮支系分化之际，这些“储备基因”开始被系统性“组队”，构建出最初的根瘤共生基因调控网络（GRN-RNS）。该网络通过招募三条不同通路基因形成：

(1) 丛枝菌根共生通路：提供了微生物识别、侵染和细胞定殖的核心机制，419个重叠基因证明两类共生体系的“亲缘关系”；

(2) 硝酸盐响应通路：被重新编程用于调节根瘤内的氮素平衡，其中关键转录因子NIN成为调控核心；

(3) 胁迫响应通路：帮助植物在与细菌共生时，精准调控防御反应，既能接纳共生菌建立共生固氮关系不排斥共生菌，又能有效抵御有害微生物入侵。

这三条通路的“跨界协作”，使固氮支系的祖先首次具备了形成根瘤并实现生物固氮的能力。

3. 豆科的“升级改造”：趋同演化塑造高效根瘤共生体

在豆科植物中，这套初始网络被进一步优化，通过趋同演化招募了细胞壁重塑和激酶信号模块，最终形成高效、稳定的“共生体”结构。研究发现两个关键基因NPL和SymSTK起到了决定性作用：NPL负责降解细胞壁，帮助细菌从侵染线释放进入植物细胞；SymSTK作为激酶，调控根瘤共生体的发育与功能稳定维持，其缺失会导致根瘤固氮能力严重受损。令人惊叹的是，这两个基因在不同豆科分支中独立演化出相似功能，完美诠释了“趋同演化”的智慧——自然选择让不同物种找到了通往同一目标的不同路径。

不止于演化：为农业革命埋下伏笔

该研究的意义不仅破解根瘤共生演化的长期谜题，更系统构建了根瘤共生网络的核心基因“清单”，为人工改造非固氮作物提供了精准靶点。设想未来，通过基因编辑技术让小麦、水稻等主粮作物具备根瘤共生能力，将大幅减少化肥使用，既降低农业成本，又减轻环境压力。

同时，研究还解释了为何有些植物会“丢失”固氮能力——19个核心基因的缺失是关键，这为筛选和改良固氮潜力作物提供了判断标准。随着对这些基因功能的深入解析，我们距离“让更多植物学会固氮”的目标越来越近。

从上亿年前的基因组加倍，到三条通路的巧妙重组，再到豆科植物的精细优化，根瘤共生的演化史是一部基因“协作创新”的史诗。这项研究不仅让我们读懂了植物与微生物的共生智慧，更为农业可持续发展打开了一扇新的大门。或许在不久的将来，“自带氮肥厂”的作物将走进田间，改写全球农业的面貌。

分子植物卓越中心王二涛研究员，张晓伟研究员，中国科学院昆明植物研究所伊廷双研究员，山东农业大学李德铢研究员作为文章共同通讯作者。王二涛研究组的侯玲博士后，兰丽影博士，伊廷双研究组刘晖副研究员，王丁洁博士，以及李德铢研究组张荣副研究员作为共同第一作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究组杨军正高级工程师，冯欢博士和叶俊杰博士，以及该中心Jeremy D. Murray研究员也参与部分研究和讨论。

论文链接：

https://www.cell.com/cell-host-microbe/abstract/S1931-3128(26)00001-6