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12月1日,河南大学王学路团队Science 杂志在线发表题为“Phosphoenolpyruvate reallocation links nitrogen fixation rates to root nodule energy state”的研究论文,该研究鉴定了两种大豆(Glycine max)胱硫氨酸β-合成酶结构域包含蛋白,结节AMP传感器1 (nodule AMP sensor 1, GmNAS1)和nas1相关蛋白1 (NAS1-associated protein 1, GmNAP1)。

在高结节能状态下,GmNAS1和GmNAP1形成同型二聚体,与线粒体上的核因子- y C (NF-YC)亚基(GmNFYC10a)相互作用,减少其核积累。较少的核GmNFYC10a导致参与丙酮酸生成的糖酵解基因表达降低,从而调节磷酸烯醇式丙酮酸的分配,有利于氮固定。总之,深入了解这些途径可能有助于设计提高碳利用、固氮和生长的豆科作物。

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豆科植物通过与根瘤菌建立共生关系,进化出专门的固氮器官——根瘤,根瘤需要大量额外的能量来固氮。共生结节获得光同化产物(主要是蔗糖),并通过糖酵解代谢产生磷酸烯醇式丙酮酸。磷酸烯醇式丙酮酸可以转化为苹果酸,在类细菌中为大气氮固定提供燃料,也可以转化为丙酮酸,在线粒体中产生三磷酸腺苷(ATP),用于氮同化和其他细胞活动,其分配可能调节结节的氮固定能力。

大豆(Glycine max)结瘤固氮能力在厌氧或缺磷条件下较低,但随着结瘤能量状态的变化,当氧或磷供应增加时,固氮能力会增加。转入黑暗或硝酸盐供给高的环境后,随着结节能量状态的降低,豆科结节的固氮能力也随之降低。鉴于共生固氮的高能量需求,结节能量状态的变化很可能调节了其固氮能力。结节的能量状态是如何被感知的,这些信息又是如何调节结节的固氮能力的,目前还不清楚。

胱硫氨酸β-合成酶(Cystathionine b-synthase, CBS)结构域是一种保守的蛋白质模块,可以结合腺苷化合物,如单磷酸腺苷(adenosine monophosphate, AMP)、二磷酸腺苷(adenosine diphosphate, ADP)、ATP和S -腺苷蛋氨酸,通过与CBS结构域蛋白(CBS domain–containing proteins, CDCPs)的其他功能区域相结合来调节生物过程。具有α, β和γ亚基的AMP 激活蛋白激酶可以感知哺乳动物细胞中的细胞能量状态并对低能量应激做出反应。与低细胞能量状态相关的更大AMP浓度可以增强AMP与AMP激活蛋白激酶γ亚基CBS结构域的结合,从而变构激活其催化α亚基,从而启动下游信号传导以维持细胞能量稳态。CBSX蛋白包含一对CBS结构域,与AMP结合,激活不同细胞器中的硫氧还原蛋白以维持拟南芥(Arabidopsis thaliana)的细胞氧化还原稳态,这表明CDCPs在植物细胞能量感知中发挥作用。

在这项研究中,研究人员确定了GmNAS1和GmNAP1作为大豆结节特异性能量传感器。在设定的生长条件下,有限的蔗糖供应使结节细胞处于相对低的能量状态,而AMP水平较高,这促进了GmNAS1-GmNAP1异源二聚体的形成,导致GmNFYC10的核积累,推动糖酵解和丙酮酸的产生。在增加蔗糖供应的情况下,随着AMP水平的下降,结节能量状态上升,GmNAS1和GmNAP1主要形成同型二聚体,维持线粒体上的GmNFYC10以减少其核积累,从而降低丙酮酸生成,并将更多的PEP分配给OAA。因此,PEP转化为丙酮酸和OAA的比例在很大程度上取决于野生型的结节能量状态(低结节能量状态下为36/64,高结节能量状态下为3/97),以确保低结节能量状态下的基本细胞活性和高结节能量状态下的固氮动力。

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图1. mNAS1和GmNAP1是调控结瘤固氮能力对结瘤能量状态响应的结瘤能量传感器(图源自Science )

进一步研究表明,cr-nas1nap1突变体中,高能量状态下PEP向OAA的强化分配减弱(丙酮酸/OAA在低结节能量状态下为36/64,而在高能量状态下为12/88)。因此,在充足的碳水化合物供应下,GmNAS1和GmNAP1被高能量状态激活,以保持线粒体上的GmNFYC10a,从而增强PEP向OAA和苹果酸的分配以固氮,这与典型能量传感器AMPK、SNF1、和SnRK1,它们被低能状态激活,以应对营养的缺乏。

虽然在正常生长条件下,GmNAS1GmNAP1敲除不会影响根瘤固氮能力,但在毛状根中敲除GmNAS1和GmNAP1会损害根瘤固氮能力。毛状根的结节能量状态低于正常植物,这可能是由于毛状根植株生长迟缓所致。在毛状根瘤中上调的基因表明,许多胁迫相关的通路被激活,提示GmNAS1和GmNAP1可能在胁迫条件下也在维持根瘤固氮能力方面发挥作用。

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图2. GmNAS1、GmNAP1和GmNFYC10调控糖酵解,根据结节能量状态调节PEP分配(图源自Science )

系统发育分析表明,输脲豆科植物中的GmNAS1和GmNAP1及其同源物形成了一个独立的集群,它们在Phaseolus vulgaris中的同源物(而不是在Lotus japonicus和Medicago truncatula中)可以补充cr-nas1cr-nap1的突变瘤表型。因此,这组能量传感器可能出现在输出脲基化合物的豆科植物中,以确保固氮过程中精细的能量利用。

综上所述,这些研究结果显示豆科植物结节的能量状态如何通过GmNAS1和GmNAP1调节结节性能,并揭示了设计作物在碳利用、共生固氮、以及在不同环境条件下的生长。

论文信息:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq8591

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