Nature中科院王二涛课题组揭示根瘤菌内共生进化关键事件

2020年12月15日/BIOON/—豆科植物与大多数陆地植物不同，可以与固氮根瘤菌形成根瘤共生。 科学家们在 17 世纪描述了豆科植物根瘤的解剖结构，并在 19 世纪发现根瘤细胞内含有用于固氮的内共生根瘤菌。

豆科植物皮层在发育上与非豆科植物不同：它可以响应植物激素或来自根瘤菌的共生信号而去分化，从而允许根瘤器官从头发育以适应固氮根瘤菌。 然而，为什么共生固氮仅限于相对少数的植物物种（主要是豆科植物）仍然未知。

在一项新研究中，中国科学院分子植物科学卓越中心、中国科学院植物生理生态研究所和河南大学的研究人员在豆科植物苜蓿的皮层细胞中发现了古老的DNA特伦卡图拉。 SHR-SCR（SHORTROOT-SCARECROW）干细胞计划明确了它们在新结节器官发生中的独特命运。 相关研究成果近日发表在《Nature》杂志上，标题为“An SHR-SCR module指定豆类皮质细胞命运以实现结瘤”。 论文通讯作者为中国科学院上海植物生理生态研究所研究员王二涛教授。

图片来自 Nature，2020，doi:10.1038/s41586-020-3016-z。

为了识别导致豆类皮质细胞分裂反应的潜在遗传途径重编程事件，作者构建了一个针对蒺藜苜蓿和拟南芥基因的 EGFP-β-葡萄糖醛酸酶报告基因（启动子：EGFP-GUS），并发现了蒺藜苜蓿 SCR (MtSCR)报告基因在蒺藜苜蓿的内皮、皮质和表皮中高表达，这与拟南芥SCR（AtSCR）形成鲜明对比。 遗传数据表明，scr 和 scr/scl23 突变体中的根瘤形成大大减少，根皮层中 SCR 的表达是根瘤起始过程中皮层细胞分裂所必需的。

此外，这些作者发现MtSHR1/2 mRNA表达仅限于茎，这与拟南芥中AtSHR的表达模式相似。 有趣的是，MtSHR-GUS融合蛋白在中柱鞘和内皮之外的表皮和皮质中积累了GUS（β-Glucuronidase，β-葡萄糖醛酸酶）染色。 遗传数据表明，皮层细胞特异性积累 MtSHR 是结节起始过程中皮层细胞分裂所必需的。 根瘤菌菌斑接种和细胞分裂素处理表明，皮层细胞中表达的MtSHR-MtSCR控制着苜蓿根部皮层细胞的分裂能力。

进一步的研究发现根瘤菌信号传导导致MtSHR-MtSCR在皮质细胞和根瘤原基中积累。 在没有接种根瘤菌的情况下，MtSHR 通常在蒺藜苜蓿的毛状根中过度表达，促进皮层细胞分裂并形成假根结节。 总之，这些数据表明，古老的 SHR-SCR 干细胞程序指定了豆科皮质细胞从头结节器官发生的命运。 （Bioon.com）

参考：

1. 董文涛等。 SHR-SCR 模块指定豆科植物皮层细胞的命运以实现结瘤。 自然，2020，doi：10.1038/s41586-020-3016-z。

2.“令人兴奋的生物学”揭示了根瘤菌内共生进化的中心事件