满满干货豆科植物(豆科植物与根瘤菌是什么关系)

原创 Cell Press CellPress细胞科学
生命科学 Life science2022年9月1日，福建农林大学海峡联合研究院/未来技术学院根系中心陈志长教授课题组在Cell Press细胞出

 

原创 Cell Press CellPress细胞科学 

生命科学 Life science2022年9月1日，福建农林大学海峡联合研究院/未来技术学院根系中心陈志长教授课题组在Cell Press细胞出版社期刊Current Biology上发表了一篇新论文，题为“Carbon-nitrogen trading in symbiotic nodules depends on magnesium import”。

他们发现了镁对大豆根瘤碳-氮交换的重要作用，解析了GmMGT4&5调控根瘤镁的输入，以及参与根瘤碳-氮交换的过程陈志长教授为论文通讯作者，在读博士生曹红瑞，已毕业博士生彭文婷，已毕业硕士生聂苗苗和白霜为论文的共同第一作者。

随着世界人口的不断增长，粮食安全正面临严重的挑战推动全球农业可持续发展对于缓解粮食危机至关重要豆科植物与根瘤菌间的共生固氮以极少的经济和环境成本为农业系统提供了大量的氮，对促进农作物生长和减少氮肥投入具有重要意义。

碳-氮交换是豆科植物与根瘤菌共生的基础然而，影响碳-氮交换的关键因素有哪些？这些因素是如何发挥作用的？这些问题目前还没有明确阐述本研究团队发现，矿质元素在调控根瘤碳-氮交换过程中发挥不同的作用其中，镁元素与根瘤碳的输入和氮的输出相关性最高。

通过激光剥蚀-等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）对根瘤进行空间离子组学分析发现，镁元素主要积累在根瘤内部皮层组织中同时，本研究对大豆根瘤中主效表达的一对旁系同源基因GmMGT4&5进行了生物学功能研究，发现GmMGT4&5介导了根瘤镁的输入，并将镁积累在内部皮层。

此外，体外酶活试验发现，镁能激活定位在根瘤内部皮层细胞的胼胝质水解酶GmBG2的活性，进而促进胞间连丝的通透性和根瘤碳-氮的交换

图1. 根瘤中矿质元素的空间分布综上所述，本研究发现了镁对大豆根瘤碳-氮交换的重要作用，解析了GmMGT4&5调控根瘤镁的输入，以及参与根瘤碳-氮交换的过程值得注意的是，本研究阐明了镁调节大豆根瘤共生固氮的新机制，即镁在根瘤内部皮层积累来维持稳定的碳-氮交换过程，这有别于之前报道认为的镁主要在根瘤固氮区参与能量代谢这一观点。

因此，本研究结果也为优化大豆养分管理、提高大豆产量提供了新思路该研究得到了国家自然科学基金项目的资助

图2. 镁元素调控根瘤碳-氮交换的模式图GmMGT4和GmMGT5介导镁从外部介质进入根瘤内部皮层细胞根瘤内部皮层中高浓度的镁激活β-1, 3-葡聚糖酶GmBG2的活性，水解胞间连丝处的胼胝质，增加胞间连丝的通透性，从而促进植物与根瘤菌之间的碳-氮交换。

作者专访Cell Press细胞出版社公众号特别邀请陈志长教授代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读CellPress：请问共生固氮（SNF）在应对当前粮食安全挑战中具有怎样的意义？目前在理解SNF的机制中存在哪些难点？。

陈志长教授：全球农产品需求日益增加，粮食安全面临重大挑战到2050年，全球作物产量必须比2005年翻一番，才能满足人们对粮食和生物燃料的需求氮肥的大量施用成为目前作物增产的重要措施之一长期大量地施用氮肥已经带来了不可忽视的负面效应，包括肥料利用率降低、土壤酸化和退化、水体污染和大气氮沉降等，影响农业可持续发展。

豆科植物与根瘤菌的共生固氮以极少的经济和环境成本为农业系统提供了大量的氮，是生态系统中氮的重要来源豆科植物与根瘤菌形成的固氮体系不仅能提供自身固氮需求，还可以用于轮间作，为其他作物提供可持续氮源此外，根瘤菌还可以通过活化根际土壤养分，提高植物养分吸收利用效率。

因此，提高共生固氮效率，对于减少氮肥施用、提高土壤肥力和实现农业可持续发展具有重要意义大豆作为一种重要的豆科作物，其生物固氮量占所有豆科作物固氮的70%左右，对生态农业的发展十分重要然而在共生固氮研究方面，目前主要的基础性工作和突破性进展都是在前期根瘤菌的识别和入侵方面，对于后期根瘤的共生固氮效率及其影响因素研究十分缺乏。

前期的识别和侵染必然影响后期的共生固氮，因此，如何避免前期的干扰，独立性研究后期的固氮效率，是研究SNF机制的难点之一另外，维持或提高共生固氮不是一个单因素效应，而是一个多因素综合效应比如根瘤碳-氮交换很重要，但是它需要矿质元素镁的输入才能维持。

目前关于固氮效率机理研究，主要还是集中在固氮酶方面如何寻找并利用共生固氮的关键协同因子，来提高固氮效率，这也是共生固氮领域需要突破的难点之一CellPress：请问镁（Mg）与碳氮交换过程存在怎样的相关性？

陈志长教授：镁的输入与根瘤中碳-氮交换存在高度正相关，即镁输入量越大，根瘤中碳的输入量和氮的输出量就越大CellPress：请问GmMGT4和GmMGT5在皮质细胞的Mg积累过程中发挥怎样的功能？陈志长教授：。

GmMGT4和GmMGT5是一对功能冗余的镁转运蛋白，主要分布在根瘤外部和内部皮层细胞的质膜上他们共同负责将镁离子从外界吸收进入根瘤皮层，并积累在内部皮层，这部分镁通过调节细胞的通透性来影响碳-氮交换过程。

CellPress：请问Mg是怎样调节胞间连丝通透性的？陈志长教授：镁离子作为激活剂，可以调控胼胝质水解酶GmBG2的活性，进而调节胞间连丝处胼胝质的积累低镁会抑制GmBG2的水解活性，增加胼胝质的积累，降低胞间连丝的通透性。

CellPress：请问本研究的成果能够为优化大豆生产的营养管理和可持续农业的发展提供怎样的帮助？陈志长教授：一般来说，大豆对镁离子的需求量要大于谷类作物，尤其是结瘤固氮的过程中，对镁的依赖性更强同时，结瘤固氮又受到了氮的负调控，即过量或充足的土壤氮环境会抑制结瘤。

目前大豆生产的养分管理还是以大量的氮肥投入为主，忽视了根瘤固氮的作用因此本研究成果可以为优化大豆养分管理提供新策略，即适当减少氮肥的投入，提高中微量肥料比如镁肥的投入，发挥共生固氮的优势，可能会带来更大的环境和经济效益。

CellPress：请问您下一步的研究重点是什么？陈志长教授：如何提高根瘤固氮效率，一直是我们的研究重点我们的下一步研究目标是寻找更多的与共生固氮效率相关的关键协同因子，试图通过操纵或者改进这些关键因子，来提高固氮效率。

作者介绍

陈志长教授陈志长，福建农林大学海峡联合研究院/未来技术学院教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，福建省青年五四奖章获得者，福建省“闽江学者”特聘教授以通讯作者身份在Nature Plants、Nature Communications、New Phytologist等期刊发表论文多篇。

主要研究方向：大豆与根瘤菌共生的养分交换机制；植物镁营养高效的生物学机制

曹红瑞博士研究生曹红瑞，福建农林大学在读博士研究生研究方向：利用生物信息学和分子生物学技术，研究矿质元素对大豆共生固氮调控机制相关论文信息论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Current Biology上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文。

▌论文标题：Carbon-nitrogen trading in symbiotic nodules depends on magnesium import▌论文网址：https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(22)01296-9

▌DOI：https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.08.019