大豆共生固氮领域取得重要研究进展

豆科植物能通过与根瘤菌互作形成根瘤进行共生固氮。据估算，豆科植物共生固氮占全球生物固氮总量的60-70%。因此，研究豆科植物共生固氮的分子机制，提高共生固氮效率，对实现减肥增效、发展绿色农业具有重要意义。豆科植物的共生固氮效率受根瘤菌匹配性以及非生物逆境的影响，但是长期以来，其遗传和分子调控机制知之甚少。近期河南大学王学路教授团队先后在国际顶尖期刊Nature Plants 和Molecular Plant上发表重要研究论文，揭示了大豆与根瘤菌共生固氮的分子进化机制以及逆境适应机制的系列研究具有重要的理论意义，也为大豆高效固氮的分子设计育种提供了重要目标基因。

近日，河南大学王学路教授团队和华中农业大学李友国教授合作在Nature Plants上发表了题为“Glycine max NNL1 restricts symbiotic compatibility with bradyrhizobia via root hair infection in soybean”的研究论文（doi ： 10.1038/s41477-020-00832-7），揭示了大豆与根瘤菌共进化过程中根瘤菌由裂隙侵染向根毛侵染方式转变的遗传、分子和进化机制。研究人员首先构建了来自于世界各地的496份大豆核心种质自然变异群体；再根据接种慢生型根瘤菌后根瘤数目的表型，进一步通过全基因组关联分析结合遗传分析和分子生物学的方法，定位并证明了一个编码TIR-NBS-LRR蛋白的R基因（命名为GmNNL1，Nodule Number Locus 1）能够限制根瘤菌侵染大豆，降低大豆的根瘤数目。进一步分析发现，在大豆的自然选择、人工驯化以及与根瘤菌的共进化过程中，一类GmSINE1转座子的插入导致了该基因功能失活，使其只能编码截短形式的GmNNL1蛋白，从而促进了大豆对土壤中土着根瘤菌的识别，增加了大豆根瘤数量，进而显着提高了大豆单株固氮酶活以及地上部分生物量。GmNNL1主要在根毛中受根瘤菌诱导表达并主要影响根瘤菌的根毛侵染途径，而具有转座子插入的GmNNL1失活单倍型的出现，是导致根瘤菌侵染大豆由裂缝侵染向根毛侵染转变的重要原因。进一步通过质谱鉴定、生化和遗传分析发现，全长的GmNNL1蛋白通过与根瘤菌的三型分泌系统效应蛋白NopP直接相互作用激活ETI从而抑制大豆与根瘤菌的共生。该研究不仅揭示了大豆与根瘤菌互作过程中宿主与寄主匹配性的遗传和分子机制，还阐释了根瘤菌与大豆共进化过程中根瘤菌由裂缝侵染演化成高效的根毛侵染过程的重大分子事件，也为大豆高效固氮的分子设计育种提供了重要理论依据和目标基因。(生物谷Bioon.com）