氮是植物生長必不可少的營養(yǎng)元素。對大多數作物來說，氮主要來自土壤和氮肥；而豆科植物擁有一項特殊能力：它們可以與根瘤菌合作，在根部形成根瘤，把空氣中的氮氣轉化為植物可利用的氮源。這一過程被稱為生物固氮，是自然氮循環(huán)和農業(yè)可持續(xù)生產的重要基礎。

不過，根瘤并不是越多越好。形成和維持根瘤需要消耗大量能量和光合產物。根瘤太少，植物獲得的固氮收益有限；根瘤太多，又會帶來過高的代謝成本。因此，豆科植物必須精確決定什么時候允許根瘤菌侵染、形成多少根瘤，以及什么時候啟動負反饋“剎車”。那么，除了限制過度結瘤的“剎車”，植物是否也存在幫助早期侵染和根瘤建立的“油門”機制？

近日，Purdue University馬漸新團隊與University of California, Davis的Blake C. Meyers團隊等合作在PNAS發(fā)表題為A long-distance signaling loop promotes soybean nodulation and productivity的研究論文。該研究在大豆中發(fā)現了一條新的長距離促結瘤信號回路：根部產生的GmCEP7小肽向地上部傳遞信息，抑制移動miRNA miR4416-5p的產生；隨后，由于從地上部運往根部的miR4416-5p減少，根部GmLe3基因得以釋放表達，從而促進根瘤菌侵染、增加結瘤，并在低氮條件下改善大豆生產力相關性狀。

從一個“此消彼長”的信號說起

研究的起點來自一個有趣的表達模式。研究人員注意到，一個此前被注釋為gma-miR4416b的miRNA在根瘤中的豐度明顯低于未接種根系；相反，它的預測靶基因GmLe3在根瘤中顯著升高。一個下降、一個上升，這提示二者之間可能存在調控關系。 隨后，研究人員進一步厘清了這個miRNA的來源。通過前體轉錄本克隆和二級結構分析，他們發(fā)現原先的gma-miR4416b實際上來源于一個MIR4416前體，并將其重新命名為miR4416-5p。它的另一條配對miRNA被命名為miR4416-3p。這一重新注釋不僅澄清了該miRNA的來源，也為后續(xù)功能研究奠定了基礎。

葉片產生的miRNA，為什么會影響根？

miRNA通常被認為是在細胞內或局部組織中調控基因表達的小分子RNA。但越來越多研究表明，一些植物miRNA 可以在不同器官之間移動，充當遠距離信號。在這項研究中，miR4416-5p主要在大豆地上部組織中產生，尤其在葉片中豐度較高，但也能在根部檢測到。研究人員進一步證明，miR4416-5p可以指導GmLe3轉錄本切割，從而抑制其表達。GmLe3編碼一個定位于質膜的凝集素類蛋白，而凝集素長期以來被認為與根瘤菌識別、附著和侵染過程相關。為了驗證根部的miR4416-5p是否來自地上部，研究人員進行了“切斷地上部與根部連接”的實驗。當地上部被去除后，根毛中的miR4416-5p明顯減少，而一個主要在根部局部產生的miR172c并沒有出現類似變化。更關鍵的是，完整植株在根瘤菌接種后會出現miR4416-5p下降和GmLe3上升，但與地上部分離的根系則失去了這一響應。這說明，在正常情況下，地上部產生的miR4416-5p會被運輸到根部，并抑制GmLe3表達；而在根瘤菌接種或識別發(fā)生后，這種抑制被削弱，使GmLe3能夠上升并促進侵染過程。

miR4416-5p像“限制器”，GmLe3像“促進器”

為了弄清這套調控是否真正影響結瘤，研究人員構建了多種遺傳材料。當miR4416-5p水平被提高時，GmLe3表達下降，根瘤數量減少；當miR4416-5p被抑制時，GmLe3表達上升，根瘤數量增加。無論是在毛狀根系統(tǒng)中，還是在穩(wěn)定轉基因大豆材料中，這一趨勢都保持一致。反過來，直接改變GmLe3也產生了相應結果：敲除或編輯GmLe3會減少結瘤，而過表達GmLe3則增加結瘤。進一步的侵染過程觀察顯示，這一模塊不僅影響最終根瘤數量，也影響根毛卷曲、根毛變形和侵染線形成等根瘤菌侵染早期事件。 因此，miR4416-5p可以看作一個“限制器”，而GmLe3則像一個“促進器”。在未接種狀態(tài)下，miR4416-5p抑制GmLe3，防止侵染反應過度啟動；當根瘤菌出現時，植物降低miR4416-5p，讓GmLe3得以上升，從而幫助根瘤菌侵染和根瘤建立。更有意思的是，在未施肥田間條件下，抑制miR4416-5p的穩(wěn)定轉基因材料不僅形成更多根瘤，還表現出多個產量相關性狀的改善，包括株高、分枝數、主莖節(jié)數、單株莢數和單株粒數增加。其中，兩個miR4416-5p STTM穩(wěn)定轉基因株系的單株粒數分別平均增加約 15% 和 39%。

根部如何把消息傳給葉片？

接下來，研究人員追問：如果miR4416-5p主要在地上部產生，那么根部感知到根瘤菌后，是如何通知地上部“減少miR4416-5p”的？答案指向一類小肽信號——CEP peptide。CEP小肽是一類短肽激素，通常由前體蛋白加工而來，已知參與氮素響應、根系發(fā)育和根瘤共生調控。在模式豆科植物Medicago truncatula中，MtCEP7已被證明可以從根部向地上部傳遞信號并促進結瘤。在大豆中，研究人員鑒定到一組與MtCEP1/MtCEP7相關的CEP前體基因。這些基因編碼的蛋白都含有保守的CEP結構域：AFRPTTPGNSPGVGH。進一步分析顯示，Glyma.01G185000和Glyma.11G057200主要在根中表達，并且在根瘤菌接種后迅速響應；另外兩個相關基因則主要在莖中表達。由此，研究人員認為，Glyma.01G185000和Glyma.11G057200可能是大豆中承擔根源 GmCEP7 小肽信號功能的主要前體基因。功能實驗進一步支持這一判斷。敲低兩個主要在根中表達的GmCEP7前體基因會導致葉片中miR4416-5p增加、GmLe3下降，并減少根瘤數；相反，在根中提高GmCEP7前體基因表達則會導致葉片中miR4416-5p降低、GmLe3表達提高，并增加根瘤數。外源施加合成GmCEP7小肽也能降低葉片中MIR4416/miR4416-5p的水平。為了進一步證明GmCEP7可以從根部移動到地上部，研究人員使用穩(wěn)定同位素標記的小肽進行追蹤，并通過LC-MS/MS進行檢測。結果顯示，標記GmCEP7不僅能在根中被檢測到，也能在葉片中被檢測到，為其從根到地上部的移動提供了直接證據。由此，一個完整的長距離信號回路浮現出來：根瘤菌誘導根部GmCEP7前體基因表達，GmCEP7小肽從根部移動到地上部，抑制MIR4416/miR4416-5p 的產生；隨著從地上部運往根部的miR4416-5p減少，根部GmLe3被釋放表達，從而促進根瘤菌侵染和根瘤形成。

不同豆科植物，可能有不同的“結瘤策略”

這項研究還帶來一個有趣的進化問題：這條miR4416-5p介導的系統(tǒng)性調控回路是否存在于所有豆科植物中？比較基因組分析顯示，MIR4416及相關調控模塊存在于大豆、菜豆和木豆等重要豆科作物中。在菜豆中，miRNA數據也支持miR4416-5p/3p對應miRNA 的產生，并預測其miR4416-5p可以靶向GmLe3同源基因。相比之下，在兩個經典模式豆科植物Medicago truncatula和Lotus japonicus中，研究人員沒有發(fā)現MIR4416同源位點。這提示，雖然CEP小肽介導的根—地上部通訊在豆科植物中具有一定保守性，但miR4416-5p介導的系統(tǒng)性結瘤調控可能是部分豆科作物中出現的一種進化創(chuàng)新。換句話說，模式植物為理解根瘤共生提供了重要基礎，但作物本身也可能演化出獨特的調控策略。

從“剎車”之外理解結瘤調控

如果說經典AON通路更像是限制過度結瘤的“剎車”，那么這項研究揭示的GmCEP7–miR4416-5p–GmLe3回路則更像是促進早期侵染的“加速器”。在經典負反饋‘剎車’完全啟動之前，大豆需要先允許根瘤菌成功侵染，建立足夠的根瘤基礎；而這條長距離信號回路正是幫助植物實現這一過程的重要機制。從機制上看，該研究把根源小肽、地上部移動miRNA和根部凝集素基因連接在同一條調控回路中，展示了植物如何在不同器官之間傳遞信息，并協(xié)調根瘤菌侵染和結瘤形成。從應用角度看，調控該通路能夠影響結瘤水平和多個產量相關性狀，提示其可能成為改良大豆生物固氮效率和低氮條件下生產力的潛在分子靶點。當然，該通路能否在不同生態(tài)環(huán)境、土壤氮素水平和田間條件下穩(wěn)定提升產量，仍需要進一步系統(tǒng)評估。

總體而言，這項研究不僅揭示了一條新的大豆長距離結瘤促進信號回路，也提醒我們要真正理解作物的重要生物學過程，不能只依賴模式植物，還需要直接回到作物本身，發(fā)掘其特有的調控機制。

該研究由 Purdue University 和 University of California, Davis 等單位合作完成。Purdue University 的段靜波、王金賓和郭潤澤為共同第一作者。University of California, Davis 的Blake C. Meyers和 Purdue University 的馬漸新為共同通訊作者。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2609325123