Plant Cell | 华中农业大学徐曙彤团队/河南大学王学路团队揭示NSP1-NSP2转录复合物调控豆科植物结瘤的新机制

豆科植物能够与根瘤菌建立共生关系，并在根部形成具有固氮能力的根瘤，将大气氮转化为植物可利用的氮素营养。这一过程不仅支撑豆科作物生长，也显著降低其对化学氮肥的依赖，是农业生态系统氮循环和可持续生产中的重要环节。

根瘤共生始于植物对根瘤菌信号的识别，该过程随后激活早期结瘤基因表达，进而协调根瘤菌侵染和根瘤器官形成。在蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）和大豆（Glycine max）等豆科植物中，GRAS家族转录因子NSP1和NSP2在激活早期结瘤基因表达中发挥核心调控作用。已有研究表明，NSP1能够结合ENOD11等早期结瘤基因启动子，并且这一过程依赖于NSP1与NSP2的相互作用。然而，二者如何直接组装成复合物，并进一步影响DNA结合和结瘤形成，其结构基础仍不清楚。

近日，华中农业大学徐曙彤团队联合河南大学王学路团队在The Plant Cell发表了题为Structural basis of NSP1-NSP2 heterodimerization and its regulatory mechanism in legume nodulation的研究论文，解析了NSP1-NSP2复合物的晶体结构，揭示了NSP1-NSP2异源二聚化促进NSP1结合DNA、进而调控豆科结瘤的分子机制。

研究团队首先在体外重组表达并纯化来自蒺藜苜蓿和大豆的NSP1-NSP2复合物，证明NSP1和NSP2可以形成稳定复合物，且相互作用主要由二者C端GRAS结构域介导。在此基础上，团队解析了2.4 Å分辨率的NSP1-NSP2复合物晶体结构。结构分析显示，NSP1和NSP2以1:1比例形成异源二聚体，主要通过LHRI基序形成头对头的相互作用界面。与已报道的其他GRAS蛋白二聚化模式相比，NSP1-NSP2界面较小，呈三角形，由保守的疏水作用和极性相互作用共同稳定。突变分析表明，该界面中的关键保守位点对NSP1-NSP2互作至关重要，这一结构特征在豆科植物中具有功能保守性。

图1. NSP1-NSP2复合物的晶体结构

NSP1-NSP2异源二聚化如何影响结瘤信号的转导？研究团队利用ENOD11启动子片段进行电泳迁移率实验（EMSA）发现，NSP1单独存在时只能较弱地结合DNA；NSP2自身虽不能检测到DNA结合能力，却可以显著增强NSP1对ENOD11启动子的结合。当NSP1界面突变、难以与NSP2形成复合物时，这种增强作用随之减弱。进一步的大豆遗传互补实验表明，破坏NSP1-NSP2互作会使结瘤缺陷难以恢复，说明二者的直接相互作用是根瘤形成所必需的功能环节。

除异源二聚化界面外，该研究还在NSP1中发现了一个此前未被认识到的HCCC型锌指结构。该锌指位于NSP1的PFYRE基序附近，其关键配位残基在多种豆科植物NSP1同源蛋白中严格保守；ICP-MS检测也进一步支持NSP1能够结合锌离子。与经典HCCC型锌指不同，这一结构模块在其他GRAS蛋白中并不保守，提示其可能是豆科NSP1特有的结构特征。功能实验进一步表明，该锌指不影响NSP1-NSP2复合物的整体稳定性，却会影响复合物的DNA结合能力。EDTA处理后，NSP1-NSP2复合物仍保持稳定，但其结合ENOD11启动子的能力下降；在大豆中，锌指关键位点突变不会明显影响GmNSP1a的转录水平或蛋白积累，却显著降低根瘤形成。这些结果说明，NSP1中的HCCC型锌指通过影响DNA结合活性参与结瘤调控。

图2. NSP1中特有HCCC型锌指影响DNA结合和结瘤形成

综上，该研究解析了豆科结瘤核心转录因子NSP1-NSP2复合物的三维结构，阐明了LHRI基序介导的异源二聚化如何增强NSP1的DNA结合能力，并发现豆科NSP1中特有的HCCC型锌指结构。该研究为理解 NSP1-NSP2 如何协同调控根瘤共生提供了结构基础，也提示锌离子可能通过影响关键转录因子的 DNA 结合活性参与共生固氮调控，为进一步解析金属元素信号与豆科植物-根瘤菌互作之间的关系提供了新的线索。

华中农业大学生命科学技术学院徐曙彤教授和河南大学王学路教授为论文共同通讯作者。华中农业大学博士研究生万里豪和薛重玉以及河南大学青年教师何春梅为论文共同第一作者，华中农业大学已毕业硕士研究生陈凰绮和毛霞坤以及河南大学中州实验室助理实验师彭亚齐为共同作者。华中农业大学练兴明教授参与了该研究。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、河南省重大科技专项、中央高校基本科研业务费、农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室以及河南省中原学者等项目资助。

徐曙彤教授课题组隶属于华中农业大学、农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室和湖北洪山实验室。主要利用X射线晶体学和冷冻电镜等结构生物学手段，结合生物化学、细胞生物学和生物信息学等方法，研究具有重要生物学功能的蛋白质复合物的作用机制。研究方向：（1）豆科植物-根瘤菌共生固氮的分子基础；（2）细胞膜表面受体感知胞外信号的分子机制。学术成果发表在Nature Plants，Nature Communications，Plant Cell，PNAS等国际主流学术期刊。获得国家自然科学基金、国家重点研发计划等资助。课题组氛围和谐，诚邀有结构生物学、生物化学或植物遗传研究背景的博士来课题组开展博士后研究。联系方式：

xushutong@mail.hzau.edu.cn

王学路教授团队以豆科植物和根瘤菌为主要研究系统，采用多学科的方法揭示豆科植物与根瘤菌互作的遗传、进化和分子机制。近期王学路团队在大豆根瘤能量感受及碳源分配调控共生固氮的机制（Science, 2022；Exploration, 2024; Trends in Plant Science, 2024），光信号调控根瘤形成的机制（Science, 2021），大豆与根瘤菌匹配性的共进化遗传和分子机制（Nature Plants, 2021），激素和环境胁迫调控共生根瘤发育的分子机制（Molecular Plant, 2021；Plant Communications, 2023）和根瘤菌诱导的根瘤细胞核内复制的机制（New Phytologist, 2022）等方面取得了系列重要进展。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koag161