中国农大发表最新Science论文

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

植物根系可通过与不同微生物建立共生关系，获取其生长所需的关键营养元素，其中丛枝菌根真菌和根瘤菌是与植物共生的两类重要微生物。

约 4–5 亿年前，植物开始与丛枝菌根真菌建立共生关系，通过在土壤中形成庞大的菌丝网络促进植物对磷的吸收，约 80% 的陆生植物具备形成菌根共生的能力。在具备菌根共生兼容性的基础上，约 6000 万年前，豆科植物进一步演化出特异的根瘤共生体系，可与根瘤菌协同将大气氮固定为可利用的氮源，这是其区别于其他植物类群的重要特征。由于这两类共生在信号感知与转导过程中存在内在关联，参与二者的共同基因/功能模块被统称为“共生共享信号通路”（Common Symbiotic Signaling Pathway，CSSP）。

演化学上最令人着迷的谜题之一在于：这两种时间跨度巨大、功能特异的共生关系，在信号的感知与转导过程中却存在着极深的演化渊源和“血脉联系”。主导这两大共生系统的核心基因与调控模块，在植物中被高度浓缩在了一条共生共享信号通路的分子主线上。在共生建立过程中，胞内侵染是共生菌突破宿主细胞屏障，进入细胞内部的关键节点。然而，CSSP 类基因如何在豆科植物中介导两类共生微生物的胞内侵染过程，其在非豆科作物中的同源基因是否保留，其功能与调控机制仍缺乏系统解析。进一步而言，这些基因/模块能否在非豆科作物中作为可利用的“遗传底盘”与框架，支撑非豆科固氮工程设计，同样有待深入研究。理解这套共享机制，不仅是解码植物-微生物互作的锁钥，更是未来实现农业绿色革命的理论基石。

植物与土壤微生物（例如固氮细菌（根瘤菌）和提供养分的真菌（菌根））形成有益的共生关系。根瘤菌要感染植物根部并提供氮素，根细胞内必须形成一种称为感染丝的特殊结构，这需要植物内部的肌动蛋白细胞骨架和细胞膜进行精确重组。然而，启动这种膜重塑以使微生物进入的分子机制，目前仍不清楚。

2026 年 3 月 5 日，中国农业大学生物学院梁鹏博团队（博士生乔李锦、孙恒为论文的共同第一作者）在国际顶尖学术期刊Science 上发表了题为 ：Nanodomain-localized formin gates symbiotic microbial entry in legume and solanaceous plants的研究论文。

该研究揭示了豆科植物蒺藜苜蓿中 Formin 家族蛋白SYFO2介导的根瘤菌胞内侵染分子机制，以 CSSP 类基因的共生演化为线索枢纽，研究团队进一步发现，该机制不仅是豆科植物与根瘤菌共生所必需，也主导着豆科植物和非豆科作物番茄中菌根真菌的胞内侵染进程。

在豆科植物苜蓿中，SYFO2 是根瘤菌侵染根毛、起始侵染线形成的主导因子。接种根瘤菌后，SYFO2 在苜蓿根毛细胞膜上呈现为特定的纳米微区（Nanodomain），并与支架蛋白 SYMREM1 发生物理互作，二者共同驱动蛋白质的液-液相分离来形成局部细胞微丝调控枢纽，进而引发细胞膜内陷，最终形成根瘤菌进入宿主细胞的通道—侵染线，该过程中 SYFO2 的转录水平受根瘤共生特异转录因子 NIN 调控。SYFO2 同时主导菌根真菌在苜蓿根部的胞内侵染，其转录水平在预侵染和早期侵染细胞中被特异激活，其蛋白亚细胞定位在菌丝进入宿主细胞及早期分枝结构处。

在非豆科作物番茄中，SYFO2 同源基因并未丢失，且调控菌根胞内侵染的功能保守。尽管番茄不能与根瘤菌共生固氮，且 NIN 基因丢失，但其内源 SYFO2 基因启动子区仍保留 NIN 结合位点。在番茄中异源引入苜蓿 NIN 蛋白，可成功激活番茄内源 SYFO2 的表达，揭示了根瘤菌早期侵染这一遗传通路框架在非豆科作物中的工程化潜力。

图A. 根瘤菌侵染宿主根毛细胞的细胞微丝重塑，图B. 丛枝菌根侵染宿主的皮层细胞

根瘤菌、丛枝菌根侵染豆科植物和非豆科作物番茄的保守分子框架及工程化策略

总的来说，这项研究阐明了植物细胞内细菌与真菌共生建立的共性机制，也为未来增强或设计作物与有益微生物的共生关系提供了新思路。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx8542