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豆科植物與根瘤菌形成的共生固氮體系是自然界最高效的生物固氮方式之一，每年為生態(tài)系統(tǒng)貢獻大量可利用氮。在這一過程中，根瘤菌通過侵染線進入植物細胞，被宿主來源的共生體膜包裹后形成可固氮的類菌體，這一功能單元被稱為共生體。經(jīng)典模型認為，植物為類菌體提供二羧酸鹽作為碳源，而類菌體則將固定的氮以氨態(tài)氮形式輸送給植物。但越來越多證據(jù)表明，氨基酸在豆科植物與根瘤菌之間的跨界交換同樣也是實現(xiàn)高效固氮的重要環(huán)節(jié)。
近日，中國科學院微生物研究所孔照勝團隊在Plant Communications發(fā)表了題為“Symbiosome membrane-localized cationic amino acid transporters support symbiotic nitrogen fixation inMedicago truncatula”的研究論文，首次發(fā)現(xiàn)共生體膜氨基酸轉運蛋白參與維持高效共生固氮，為理解豆科植物與根瘤菌共生調(diào)控機制提供了關鍵證據(jù)。 苜蓿與根瘤菌的共生固氮體系是研究植物-微生物互作的經(jīng)典模型。其氨基酸交換機制是這一共生關系的核心，主要指植物為根瘤菌提供碳源（以氨基酸形式），而根瘤菌則將固定的氮（以特定氨基酸或酰脲形式）供給植物。這一生理過程揭示了一種高效且精密的生物間互作模式，展示了真核生物與原核生物之間如何通過代謝分工和交換，形成一個高度整合的“超生物”系統(tǒng)。這種互惠共生建立在精確的信號對話、相互調(diào)控和資源交換基礎上，是研究復雜生物互作的典范。 圖：MtCAT1c亞細胞定位及突變體表型 本項研究在蒺藜苜蓿共生體膜上鑒定出三個陽離子氨基酸轉運蛋白（CAT, cationic amino acid transporter）：MtCAT1a、MtCAT1b和MtCAT1c。其中MtCAT1b和MtCAT1c在根瘤侵染細胞中高表達，并定位于共生體膜，而MtCAT1a在共生過程中功能較弱。遺傳學分析表明，MtCAT1b和MtCAT1c可能協(xié)同調(diào)控類菌體的氨基酸代謝穩(wěn)態(tài)。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，突變體中類菌體出現(xiàn)異常積累的PHB（Poly-β-hydroxybutyrate），表明類菌體代謝異常。轉錄組分析顯示，突變體中的類菌體碳氮代謝途徑受損， ATP合成能力下降，最終導致突變體根瘤固氮酶活性降低。進一步實驗證實，MtCAT1b和MtCAT1c能夠相互作用，推測二者可能協(xié)同發(fā)揮功能。酵母轉運實驗顯示，MtCAT1b和MtCAT1c對精氨酸等共生關鍵氨基酸具備轉運能力。 圖：共生體膜定位的MtCAT1b和MtCAT1c維持高效共生固氮關系 這些發(fā)現(xiàn)首次揭示了氨基酸轉運蛋白在共生體膜中的關鍵作用，為維持高效共生固氮體系提供了重要分子基礎，其生物學意義遠超一個生理過程的描述。它是理解自然界中最成功的共生關系之一的鑰匙，連接著基礎生物學（代謝、信號、進化）和重大應用前景（綠色農(nóng)業(yè)、生物工程）。這項研究從根本上解釋了植物和細菌如何通過“貿(mào)易”實現(xiàn)雙贏，并為人類模仿自然智慧以解決糧食安全和環(huán)境問題提供了至關重要的啟示,開拓了氮經(jīng)濟策略的新思路，也為更全面的理解共生系統(tǒng)的穩(wěn)定與調(diào)控提供了理論基礎。 在本項研究中，已經(jīng)服役了10年有余的Implen Nanophotometer? P330老型號超微量分光光度計用于提取的RNA的濃度和純度分析，確保質(zhì)量合格的樣本用于qRT-PCR。以快速、可靠著稱的Nanophotometer?，是各種類型核酸樣本質(zhì)控的理想工具，為包括PCR和測序在內(nèi)的后續(xù)關鍵實驗保駕護航，提高數(shù)據(jù)的可靠性。 新的科學發(fā)現(xiàn)，總有Implen的身影，Nanophotometer?是科學家的好伙伴。
