《Science》豆科植物与根瘤菌共生的节律性基因表达

豆科植物通过与根瘤菌合作在低氮环境中茁壮成长，根瘤菌是一种土壤细菌，可以将大气中的氮转化为铵，这是植物的一种可用形式。这些有益细菌被安置在豆科植物根部形成的根瘤中。

根瘤共生存在于单系固氮支系中，包括Fabales、Rosales、Cucurbitales和Fagales四个目，它们在进化过程中获得了共同的固氮细菌。其中，豆科中绝大多数物种进行根瘤共生，独特地将细胞分裂素途径作为共生的重要调控模块。

然而，大量根瘤的不受控制的形成会阻碍根的功能。为了防止这种情况，豆科植物需要调节根瘤的分布和数量，但精确的机制以前并不清楚。

最近对豆科植物模式植物日本莲花(Lotus japonicus)的研究表明，豆科植物根系与根瘤菌的相互作用具有以6小时为周期的基因表达特征。这种节律性基因表达影响根瘤菌侵染的根感区域和根瘤的分布。研究还发现，植物激素细胞分裂素对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《Science》杂志上，是由国立基础生物学研究所、奈良科学技术研究所、北海道大学、关西学院大学、理研和爱知教育大学共同完成的。

当根瘤菌感染豆科植物的根时，根表皮细胞形成感染线，膜管状结构引导细菌进入根内组织，在那里它们可以固定氮。根瘤菌感染主要发生在根尖后方狭窄的根区，称为易感区。在根尖上不断产生的细胞不断地产生新的易感区域。理想情况下，感染线应该均匀地分布在整个根部。然而，更仔细的检查揭示了密集形成的感染线与稀疏区域交替的模式，表明对根瘤菌的反应是间歇性的，而不是连续的。关于根系对根瘤菌随时间变化的动态响应的详细研究一直缺乏。

利用荧光素酶作为报告者的发光实时成像技术，研究小组观察到NSP1基因表达在根瘤菌感染过程中迅速诱导，在易感区域每隔大约6小时表现出振荡模式。随着根的生长，新的表达位点在原来的振荡区顶端出现。

“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，这使我们认为这种节律性基因表达可能与结节形成部位的确定有关，”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，在振荡区形成了大量的根瘤，这表明节律性基因表达与根瘤形成之间存在联系。在根瘤菌共生过程中，其他对早期反应至关重要的基因也表现出振荡表达模式，这是根瘤菌反应中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控因子，维持着这种振荡基因的表达。接种根瘤菌后，与细胞分裂素生物合成、代谢和信号传导相关的基因表现出振荡表达。使用细胞分裂素反应标记物TCSn的发光成像显示细胞分裂素反应振荡，与活性细胞分裂素含量波动的时间一致。

本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，NSP1周期性表达的振荡间隔延长，扩大了NSP1表达振荡的根区。相反，在LHK1激活后的植株中，NSP1表达的诱导被抑制，导致其周期性丧失。NSP1振荡区与密集感染线形成区重合。lhk1功能缺失突变体的根段变大，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中的重要性。

国立基础生物学研究所副教授Soyano说：“周期性细胞分裂素反应的发现出乎意料，引发了几个问题，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。”解决这些问题有望加深对根瘤共生调节机制的理解，并通过植物激素介导的周期性反应推进器官发育的空间调控研究。