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分子植物卓越中心揭示根瘤共生信號轉導的機制
7月2日，Current Biology在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王二濤課題組發(fā)表的題為Nod factor receptor complex phosphorylates GmGEF2 to stimulate ROP signaling during nodulation的研究論文。該研究以大豆為研究對象，揭示了大豆中鳥苷酸交換因子GmGEF2和小G蛋白GmROPs以及支架蛋白GmRACK1參與結瘤共生信號轉導的新機制。
豆科植物（如大豆、花生、苜蓿等）是重要的農(nóng)作物和經(jīng)濟作物，為人類提供了豐富的營養(yǎng)物質。此外，豆科植物在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，通過與土壤中的固氮根瘤菌共生形成根瘤，進而將空氣中游離的氮固定轉化為可被自身利用的含氮化合物。
豆科植物與根瘤菌的共生關系依賴于植物與根瘤菌之間復雜的分子信號交換過程。豆科植物細胞膜上的類受體激酶NFR1（Nod Factor Receptor 1）和NFR5能夠識別根瘤菌分泌的結瘤因子，起始共生信號，但是共生信號從膜受體傳遞至下游的分子機制尚不清楚。此外，對于根瘤共生的研究多集中在模式豆科植物百脈根（Lotus japonicus）和蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）中，在重要農(nóng)作物大豆（Glycine max）中的相關研究尚屬少數(shù)。
ROP（Rho-like GTPase of Plants）是植物中特有的一類小G蛋白，其作為分子開關能夠調控植物生長發(fā)育中的一些過程。ROP的激活受到上游鳥苷酸交換因子GEF的精細調控。在接受胞外信號刺激后，GEF可以通過促進GDP/GTP的置換，將GDP結合的非活性狀態(tài)ROP轉變?yōu)榕cGTP結合的活性狀態(tài)?；罨腞OP能夠和多個靶蛋白相互作用，進而激活下游信號途徑。近年來，已有研究發(fā)現(xiàn)，ROP參與了根瘤菌侵染豆科植物和根瘤形成等共生事件（Ke et al., 2012；Lei et al., 2015；Liu et al., 2020），但它們被根瘤菌信號激活的直接證據(jù)，以及這種激活是如何發(fā)生的尚不清楚。
該研究中，研究人員以重要的農(nóng)作物大豆為研究對象，發(fā)現(xiàn)小G蛋白GmROP9和其同源基因對于共生的建立具有重要意義。RNAi和CRISPR突變體顯示其根瘤數(shù)目顯著下降，共生相關的標記基因表達受到顯著抑制。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，活性狀態(tài)的GmROP9在接種根瘤菌后快速增加，表明其在共生信號轉導中的重要作用。此外，研究人員通過多種生化技術手段，證明了鳥苷酸交換因子GmGEF2能夠和GmROP9相互作用并激活GmROP9。同時，遺傳學證據(jù)表明GmGEF2也參與了大豆根瘤共生的過程。
此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，類受體蛋白激酶GmNFR1可以磷酸化GmGEF2a的N端第86位絲氨酸殘基，增強GEF對于GmROP9的活化。有意思的是，活性狀態(tài)的GmROP9又可以與類受體激酶GmNFR1和GmNFR5以及支架蛋白GmRACK1形成復合體，起始共生信號。綜上，該研究解析了GmGEF2-GmROPs和GmRACK1在大豆根瘤共生中的重要作用，揭示了根瘤共生信號從細胞膜受體傳遞至下游的新機制。
研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項的支持。
ROP參與結瘤共生信號轉導的模式圖
