揭示豆科植物-根瘤菌共生中的节律性基因表达

豆科植物在低氮环境中茁壮成长，与根瘤菌共生。根瘤菌是一种土壤细菌，能将大气中的氮转化为植物可利用的铵。这些有益细菌寄居在豆科植物根部形成的根瘤中。然而，不受控制地形成大量根瘤会阻碍根部功能。为了防止这种情况发生，豆科植物需要调节根瘤的分布和数量，但确切的机制此前并不清楚。

最近对一种豆科植物模型莲花 ( Lotus japonicus)的研究发现，豆科植物根部与根瘤菌之间的相互作用具有周期性基因表达的特征，每六小时有一次节律。这种有节律的基因表达会影响根部易受根瘤菌感染的区域和根瘤的分布。研究还发现，植物激素细胞分裂素对于维持这种基因表达节律至关重要。这项开创性的研究发表在《科学》杂志上，是由国立基础生物学研究所、奈良先端科学技术研究所、北海道大学、关西学院大学、理化学研究所和爱知教育大学合作完成的。

当根瘤菌感染豆科植物根部时，根表皮细胞会形成感染线，这种膜状管状结构会引导细菌进入根部内部组织，在那里细菌可以进行固氮。根瘤菌感染主要发生在根尖后方的狭窄根部区域，称为易感区域。根尖细胞的不断生成不断产生新的易感区域。理想情况下，感染线会均匀分布在整个根部。然而，仔细检查会发现密集形成的感染线与稀疏区域交替出现，这表明对根瘤菌的反应是间歇性的，而不是持续性的。关于根部对根瘤菌随时间变化的动态反应的详细研究一直缺乏。

研究小组利用荧光素酶作为报告基因的发光活体成像技术观察到，在根瘤菌感染后迅速诱导的、对感染过程至关重要的NSP1基因表达在易感区域中以大约六小时的间隔表现出振荡模式。随着根的生长，新的表达位点出现在先前振荡区域的顶端。“我们注意到这些振荡区域与感染线密集形成的区域相吻合，这使我们认为这种有节奏的基因表达可能与根瘤形成位点的确定有关，”研究小组成员、国立基础生物学研究所副教授 Takashi Soyano 博士说。与这一观点一致的是，在振荡区域形成了大量根瘤，这表明有节奏的基因表达与根瘤形成之间存在联系。在根瘤共生期间对早期反应至关重要的其他基因也表现出振荡表达模式，标志着对根瘤菌反应的周期性基因表达的第一个证据。

细胞分裂素是根瘤共生的关键调节因子，它维持着这种振荡基因表达。与细胞分裂素生物合成、代谢和信号传导相关的基因在根瘤菌接种后表现出振荡表达。使用细胞分裂素反应标记 TCSn 的发光成像揭示了振荡细胞分裂素反应，与活性细胞分裂素含量波动的时间一致。

该研究利用细胞分裂素受体 LHK1 的突变体来探索细胞分裂素在基因表达周期性中的作用。在缺乏功能性 LHK1 的突变体中，周期性NSP1表达的振荡间隔延长，扩大了NSP1表达振荡的根区域。相反，在转化了激活形式的 LHK1 的植物中，NSP1表达的诱导受到抑制，导致其周期性丧失。NSP1振荡区域与形成密集感染线的区域相吻合。lhk1功能丧失突变体表现出扩大的根段形成密集的感染线，而活性 LHK1 降低了感染线密度。这些发现强调了适当的细胞分裂素反应在维持共生振荡和确保适当的感染线分布方面的重要性。

根瘤共生发生在单系固氮进化枝中，包括豆目、蔷薇目、葫芦目和壳斗目四个目，表明它们在进化过程中共同获得了与固氮细菌相互作用的能力。其中，豆目中的豆科植物是参与根瘤共生的大多数物种的目，该目独特地将细胞分裂素途径作为共生的重要调控模块。

发现周期性的细胞分裂素反应是意料之外的，这引发了一些问题，包括建立这种周期性的分子机制以及这些周期性反应如何塑造感染区域。”

日本国立基础生物学研究所副教授 Takashi Soyano 博士

解决这些问题有望加深对根瘤共生调控机制的理解，并促进通过植物激素介导的周期性反应对器官发育进行空间控制的研究。