王学路教授团队在大豆共生固氮领域取得又一重大突破

2022年12月2日，国家重点实验室王学路教授团队在Science上以Research Article形式发表了题为Phosphoenolpyruvatereallocation links nitrogen fixation rates to root nodule energy state的研究成果，揭示了大豆根瘤能量状态感受器及其调控共生固氮的新机制。这是继2021年10月1日王学路教授团队在Science发表研究长文（此项成果入选2021年度“中国高校十大科技进展”和2022年度“中国农业科学重大进展”）后，该团队在国际顶尖期刊发表的又一创新性研究成果，充分显示了王学路团队在相关研究领域的创新活力和国际领先地位，以及对促进生物固氮领域发展做出的卓越成绩，是我校科技创新和“双一流”建设方面的又一重大突破。

氮素是植物生长发育必须的大量营养元素，因而农业生产高度依赖工业氮肥。但是氮肥的生产需要消耗大量化石能源，并且过度施用氮肥会造成土壤板结退化和水体污染，影响农业的可持续发展。生物固氮是自然界生物可用氮的最大天然来源，豆科植物与根瘤菌可以相互作用形成一个独特的器官，即共生根瘤。在根瘤中的共生固氮是地球生态系统中氮气还原为可被植物吸收利用氨的重要途径，贡献了60%以上的陆地生物固氮量，对保持农业以及自然生态系统中的初级生产和碳汇有重要意义。因此，提高豆科植物的共生固氮能力，甚至发展非豆科植物或者作物的共生固氮，为减少对工业氮肥的依赖、发展绿色可持续农业、实现“双碳”战略具有重要意义。共生固氮是一个高耗能的酶催化过程，植物本身光合作用固定的碳水化合物是共生固氮最主要的碳源和能量来源（图1）。因此，共生根瘤的固氮能力需要与豆科植物的碳源和能量水平相协调，以平衡共生固氮和其它生命过程的碳消耗和保证豆科植物在不同环境下的正常生长。然而，豆科植物如何响应碳源和能量水平从而调控根瘤固氮能力的机制一直是未解之谜。

图1：共生固氮中碳源和能量的来源及分配

王学路教授研究团队在根瘤中发现了新的能量感受器蛋白GmNAS1（soybean nodule AMP sensor 1）和GmNAP1（GmNAS1-associated protein 1），它们可以感受上升的能量状态，进而调控糖酵解中间产物在大豆根瘤中向共生固氮和植物细胞自身利用方向的分配（图2）。

豆科植物根瘤固氮能力受环境影响，而这些环境因素往往影响根瘤的能量状态，暗示根瘤能量状态变化和固氮能力之间的重要关系。胱硫醚β合成酶（Cystathionineβ-synthase，CBS）结构域是一类具有结合腺苷酸及其衍生物（包括AMP、ADP和ATP等）能力的保守功能域，CBS家族蛋白具有作为细胞能量感受器的潜力，如动物和酵母中的AMPK（Baykovet al., 2011；Gonzalezet al., 2020）。为了鉴定大豆根瘤中可能存在的能量状态感受器，作者筛选了71个CBS家族蛋白，在根瘤中鉴定到了特异高表达的GmCBS22（GmNAS1）和GmCBS14（GmNAP1）。遗传分析发现，GmNAS1和GmNAP1功能缺失后不影响根瘤的形成和发育，但是完全抑制了根瘤碳源供应增加后固氮能力的上升。进一步研究发现GmNAS1和GmNAP1通过感知细胞AMP水平来监测根瘤细胞能量状态，GmNAS1可以直接结合AMP从而与GmNAP1在线粒体膜上形成异源二聚体，在碳源供应增加导致根瘤能量状态上升时，AMP含量降低，促使GmNAS1-GmNAP1异源二聚体解离，形成GmNAS1-GmNAS1和GmNAP1-GmNAP1同源二聚体。这种能量感受方式不同于动物细胞，说明其独特的感受方式，是对生命科学能量感受领域的重要贡献。

为解析位于线粒体膜上的GmNAS1和GmNAP1调控根瘤固氮能力的机制，作者通过免疫共沉淀偶联质谱分析鉴定到了一个与GmNAS1和GmNAP1相互作用的转录因子NF-YC亚基（Nuclear Factor-Y C subunit）GmNFYC10a。发现在根瘤能量状态上升时，AMP水平下降形成的GmNAS1-GmNAS1和GmNAP1-GmNAP1同源二聚体会与GmNFYC10a互作并将其锚定到线粒体上，从而减少细胞核中的GmNFYC10a水平，抑制丙酮酸激酶（PK）基因表达（图2），调控能量在植物细胞和类菌体碳源供应之间的分配。

图2：根瘤中的新能量感受器调节PEP分配而协同调控碳源水平和固氮能力

这项突破性进展，揭示了大豆根瘤中的新型能量感受器GmNAS1/GmNAP1通过调控根瘤碳源的重新分配，进而调整根瘤固氮能力的分子机制，并表明动物细胞和植物细胞采用各具特色的分子机制感受能量。该机制使豆科植物可以在生长环境改变时，依据其体内碳源的可用性及时调整根瘤固氮效能，从而维持植株体内的碳氮平衡，适应周围环境的变化。这项突破性成果，为发掘自主产生碳源的植物中更多的能量感受器并建立其信号通路提供了范例，将极大促进对细胞和个体水平碳源分配和代谢调控的进化和分子机制的解析，并为未来通过合成生物学方法，设计高效利用作物自身或者周围环境中的碳源，提高共生固氮能力提供了重要理论支撑，为高效固氮作物的分子设计提供了新的思路。

河南大学省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室、河南大学交叉学科高等研究院王学路教授为该论文的通讯作者，河南大学师资博士后柯小龙为第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、河南省中原学者项目以及河南大学经费的支持。

除连续在Science发表的突破性进展外，近期王学路团队在大豆与根瘤菌匹配性共进化的遗传和分子机制（Zhang et al., 2021,Nature Plants），环境胁迫调控共生根瘤发育的分子机制 （He et al., 2021,Molecular Plant），以及根瘤菌诱导的细胞核内复制的细胞学基础（Fan et al., 2022,New Phytologist）等方面也取得了系列创新性进展。

王学路教授自2019年12月加盟河南大学领衔“生物固氮和豆科生物学”团队以来，以豆科作物为主要研究对象，研究菌植互作的遗传、进化和分子机制；能量感受和分配调控根瘤发育、共生固氮的遗传和分子机制；豆科作物分子设计育种等方面。目前，团队汇聚了来自美国、英国、上海、武汉的多位优秀青年教师加入，其中1人入选国家级青年人才项目，3人入选河南省杰青/优青；吸引了10多名毕业于武汉大学、吉林大学、浙江大学、新加坡国立大学、南京农业大学和华中农业大学等高校的优秀博士毕业生从事博士后研究。最近，王学路教授作为首席科学家获批国家重点研发计划项目“以碳增氮高效生物固氮回路设计与系统优化”，团队将快速推进在生物固氮和碳氮高效这一国际前沿科学领域的创新研究，并完善高水平合成生物学和分子设计育种平台，向现代生物育种领域积极拓展，为服务国家粮食安全和农业绿色可持续发展作出贡献。