Nature Commun | 中國科學院南京土壤所陳志長課題組揭示硫元素延緩大豆根瘤衰老、維持高效固氮的機制

豆科作物與根瘤菌的共生固氮體系，是農業生產中重要的天然氮源。這一體系的核心器官——根瘤的功能已得到廣泛研究。在共生固氮過程中，根瘤菌固定的氮會輸送給宿主植物，以此換取宿主植物提供的碳源和必需的礦質養分。根瘤的壽命只有10-12周，受自然衰老與環境脅迫共同調控。因此，深入解析根瘤的衰老機制，并延緩這一進程，可以為化肥減施提供潛在策略。

近期，中國科學院南京土壤研究所陳志長課題組在Nature Communications雜志上發表了題為Maintaining sulfur supply to the symbiosome delays nodule senescence in soybean的研究論文，揭示了由硫轉運蛋白（SULTR）介導的硫輸入是調節根瘤衰老的關鍵步驟，為通過延長根瘤壽命來提高豆科植物的共生固氮效率提供了新策略。

該課題組之前研究發現，高氮會阻止鐵元素從根瘤非侵染細胞向共生體的轉運（Nature Communications, 2024）。除了鐵之外，離子組學測定發現，共生體中的硫、鉬、鎂、鉀和磷等元素也出現了不同程度的減少，其中硫的下降程度最高（圖1a-b）。隨著高氮處理時間的延長，根瘤中硫含量呈現持續下降趨勢（圖1c-d）。在缺硫的條件下，高氮脅迫對根瘤共生固氮的抑制作用隨時間推移逐漸增強（圖1e），并伴隨著根瘤顏色由紅色向綠色的轉變，該現象通常指示根瘤的衰老（圖1f）。這些結果表明，硫元素在高氮誘導的根瘤衰老過程中具有關鍵調控作用。

圖1. 硫參與根瘤的衰老過程

此外，本研究發現了兩對在根瘤中特異性高表達的硫轉運蛋白基因SULTR2;1a&2;1b與SULTR3;5a&3;5b，他們分別負責硫酸鹽向根瘤的侵染細胞和共生體中轉運。在雙敲除突變體sultr2;1ab和sultr3;5ab中，根瘤固氮能力出現顯著缺陷，同時根瘤固氮區均呈綠色（圖2）。進一步研究表明，這些突變體中谷胱甘肽水平顯著下降。這種下降削弱了根瘤清除活性氮的能力，從而加速了根瘤衰老的進程。值得注意的是，通過基因操作手段降低根瘤菌中活性氮的產生或增加大豆根瘤中的硫輸入，可以有效緩解高氮誘導的根瘤衰老。

圖2. SULTR介導的硫轉運調控根瘤衰老

綜上所述，該研究系統闡明了硫轉運、活性氮與根瘤衰老之間的內在聯系，為通過遺傳改良手段延長根瘤壽命、提升大豆共生固氮效率提供了新的理論依據與育種策略。

中國科學院南京土壤研究所陳志長研究員為本文的通訊作者，該課題組和福建農林大學的聯合培養博士生李圓以及已畢業碩士生聶苗苗和李丹妮為論文共同第一作者。中國科學院南京土壤研究所沈仁芳研究員參與了這項研究。同時，該研究在材料和技術方面也得到了華中農業大學端木德強、中國農業大學焦健以及寧波大學的毛倩卓等科研人員的幫助和支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64708-0