PNAS | 大豆如何“远程指挥”根瘤形成？马渐新团队揭示根—叶—根长距离信号回路

氮是植物生长必不可少的营养元素。对大多数作物来说，氮主要来自土壤和氮肥；而豆科植物拥有一项特殊能力：它们可以与根瘤菌合作，在根部形成根瘤，把空气中的氮气转化为植物可利用的氮源。这一过程被称为生物固氮，是自然氮循环和农业可持续生产的重要基础。

不过，根瘤并不是越多越好。形成和维持根瘤需要消耗大量能量和光合产物。根瘤太少，植物获得的固氮收益有限；根瘤太多，又会带来过高的代谢成本。因此，豆科植物必须精确决定什么时候允许根瘤菌侵染、形成多少根瘤，以及什么时候启动负反馈“刹车”。那么，除了限制过度结瘤的“刹车”，植物是否也存在帮助早期侵染和根瘤建立的“油门”机制？

近日，Purdue University马渐新团队与University of California, Davis的Blake C. Meyers团队等合作在PNAS发表题为A long-distance signaling loop promotes soybean nodulation and productivity的研究论文。该研究在大豆中发现了一条新的长距离促结瘤信号回路：根部产生的GmCEP7小肽向地上部传递信息，抑制移动miRNA miR4416-5p的产生；随后，由于从地上部运往根部的miR4416-5p减少，根部GmLe3基因得以释放表达，从而促进根瘤菌侵染、增加结瘤，并在低氮条件下改善大豆生产力相关性状。

从一个“此消彼长”的信号说起

研究的起点来自一个有趣的表达模式。研究人员注意到，一个此前被注释为gma-miR4416b的miRNA在根瘤中的丰度明显低于未接种根系；相反，它的预测靶基因GmLe3在根瘤中显著升高。一个下降、一个上升，这提示二者之间可能存在调控关系。 随后，研究人员进一步厘清了这个miRNA的来源。通过前体转录本克隆和二级结构分析，他们发现原先的gma-miR4416b实际上来源于一个MIR4416前体，并将其重新命名为miR4416-5p。它的另一条配对miRNA被命名为miR4416-3p。这一重新注释不仅澄清了该miRNA的来源，也为后续功能研究奠定了基础。

叶片产生的miRNA，为什么会影响根？

miRNA通常被认为是在细胞内或局部组织中调控基因表达的小分子RNA。但越来越多研究表明，一些植物miRNA 可以在不同器官之间移动，充当远距离信号。在这项研究中，miR4416-5p主要在大豆地上部组织中产生，尤其在叶片中丰度较高，但也能在根部检测到。研究人员进一步证明，miR4416-5p可以指导GmLe3转录本切割，从而抑制其表达。GmLe3编码一个定位于质膜的凝集素类蛋白，而凝集素长期以来被认为与根瘤菌识别、附着和侵染过程相关。为了验证根部的miR4416-5p是否来自地上部，研究人员进行了“切断地上部与根部连接”的实验。当地上部被去除后，根毛中的miR4416-5p明显减少，而一个主要在根部局部产生的miR172c并没有出现类似变化。更关键的是，完整植株在根瘤菌接种后会出现miR4416-5p下降和GmLe3上升，但与地上部分离的根系则失去了这一响应。这说明，在正常情况下，地上部产生的miR4416-5p会被运输到根部，并抑制GmLe3表达；而在根瘤菌接种或识别发生后，这种抑制被削弱，使GmLe3能够上升并促进侵染过程。

miR4416-5p像“限制器”，GmLe3像“促进器”

为了弄清这套调控是否真正影响结瘤，研究人员构建了多种遗传材料。当miR4416-5p水平被提高时，GmLe3表达下降，根瘤数量减少；当miR4416-5p被抑制时，GmLe3表达上升，根瘤数量增加。无论是在毛状根系统中，还是在稳定转基因大豆材料中，这一趋势都保持一致。反过来，直接改变GmLe3也产生了相应结果：敲除或编辑GmLe3会减少结瘤，而过表达GmLe3则增加结瘤。进一步的侵染过程观察显示，这一模块不仅影响最终根瘤数量，也影响根毛卷曲、根毛变形和侵染线形成等根瘤菌侵染早期事件。 因此，miR4416-5p可以看作一个“限制器”，而GmLe3则像一个“促进器”。在未接种状态下，miR4416-5p抑制GmLe3，防止侵染反应过度启动；当根瘤菌出现时，植物降低miR4416-5p，让GmLe3得以上升，从而帮助根瘤菌侵染和根瘤建立。更有意思的是，在未施肥田间条件下，抑制miR4416-5p的稳定转基因材料不仅形成更多根瘤，还表现出多个产量相关性状的改善，包括株高、分枝数、主茎节数、单株荚数和单株粒数增加。其中，两个miR4416-5p STTM稳定转基因株系的单株粒数分别平均增加约 15% 和 39%。

根部如何把消息传给叶片？

接下来，研究人员追问：如果miR4416-5p主要在地上部产生，那么根部感知到根瘤菌后，是如何通知地上部“减少miR4416-5p”的？答案指向一类小肽信号——CEP peptide。CEP小肽是一类短肽激素，通常由前体蛋白加工而来，已知参与氮素响应、根系发育和根瘤共生调控。在模式豆科植物Medicago truncatula中，MtCEP7已被证明可以从根部向地上部传递信号并促进结瘤。在大豆中，研究人员鉴定到一组与MtCEP1/MtCEP7相关的CEP前体基因。这些基因编码的蛋白都含有保守的CEP结构域：AFRPTTPGNSPGVGH。进一步分析显示，Glyma.01G185000和Glyma.11G057200主要在根中表达，并且在根瘤菌接种后迅速响应；另外两个相关基因则主要在茎中表达。由此，研究人员认为，Glyma.01G185000和Glyma.11G057200可能是大豆中承担根源 GmCEP7 小肽信号功能的主要前体基因。功能实验进一步支持这一判断。敲低两个主要在根中表达的GmCEP7前体基因会导致叶片中miR4416-5p增加、GmLe3下降，并减少根瘤数；相反，在根中提高GmCEP7前体基因表达则会导致叶片中miR4416-5p降低、GmLe3表达提高，并增加根瘤数。外源施加合成GmCEP7小肽也能降低叶片中MIR4416/miR4416-5p的水平。为了进一步证明GmCEP7可以从根部移动到地上部，研究人员使用稳定同位素标记的小肽进行追踪，并通过LC-MS/MS进行检测。结果显示，标记GmCEP7不仅能在根中被检测到，也能在叶片中被检测到，为其从根到地上部的移动提供了直接证据。由此，一个完整的长距离信号回路浮现出来：根瘤菌诱导根部GmCEP7前体基因表达，GmCEP7小肽从根部移动到地上部，抑制MIR4416/miR4416-5p 的产生；随着从地上部运往根部的miR4416-5p减少，根部GmLe3被释放表达，从而促进根瘤菌侵染和根瘤形成。

不同豆科植物，可能有不同的“结瘤策略”

这项研究还带来一个有趣的进化问题：这条miR4416-5p介导的系统性调控回路是否存在于所有豆科植物中？比较基因组分析显示，MIR4416及相关调控模块存在于大豆、菜豆和木豆等重要豆科作物中。在菜豆中，miRNA数据也支持miR4416-5p/3p对应miRNA 的产生，并预测其miR4416-5p可以靶向GmLe3同源基因。相比之下，在两个经典模式豆科植物Medicago truncatula和Lotus japonicus中，研究人员没有发现MIR4416同源位点。这提示，虽然CEP小肽介导的根—地上部通讯在豆科植物中具有一定保守性，但miR4416-5p介导的系统性结瘤调控可能是部分豆科作物中出现的一种进化创新。换句话说，模式植物为理解根瘤共生提供了重要基础，但作物本身也可能演化出独特的调控策略。

从“刹车”之外理解结瘤调控

如果说经典AON通路更像是限制过度结瘤的“刹车”，那么这项研究揭示的GmCEP7–miR4416-5p–GmLe3回路则更像是促进早期侵染的“加速器”。在经典负反馈‘刹车’完全启动之前，大豆需要先允许根瘤菌成功侵染，建立足够的根瘤基础；而这条长距离信号回路正是帮助植物实现这一过程的重要机制。从机制上看，该研究把根源小肽、地上部移动miRNA和根部凝集素基因连接在同一条调控回路中，展示了植物如何在不同器官之间传递信息，并协调根瘤菌侵染和结瘤形成。从应用角度看，调控该通路能够影响结瘤水平和多个产量相关性状，提示其可能成为改良大豆生物固氮效率和低氮条件下生产力的潜在分子靶点。当然，该通路能否在不同生态环境、土壤氮素水平和田间条件下稳定提升产量，仍需要进一步系统评估。

总体而言，这项研究不仅揭示了一条新的大豆长距离结瘤促进信号回路，也提醒我们要真正理解作物的重要生物学过程，不能只依赖模式植物，还需要直接回到作物本身，发掘其特有的调控机制。

该研究由 Purdue University 和 University of California, Davis 等单位合作完成。Purdue University 的段静波、王金宾和郭润泽为共同第一作者。University of California, Davis 的Blake C. Meyers和 Purdue University 的马渐新为共同通讯作者。

论文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2609325123