Plant Cell：克隆豆科植物固氮调控基因

华中农大Plant Cell文章

　　

生物通报道：来自华中农业大学，美国爱达荷大学的研究人员发表了题为“A MAP Kinase Kinase Interacts with SymRK and Regulates Nodule Organogenesis in Lotus japonicus”的文章，报道了他们成功克隆调控豆科植物共生固氮能力的关键性基因SIP2的最新成果，这将为研究根瘤菌与宿主植物相互作用的分子机制提供新的途径。相关论文刊发在国际植物学权威刊物Plant cell上。

文章的通讯作者是华中农业大学农业微生物学国家重点实验室张忠明教授，第一作者是华中农业大学陈桃博士。

据介绍，虽然空气成分中含有约80%的氮，但一般植物无法直接利用。而花生、大豆、苜蓿等豆科植物，通过与根瘤菌的共生固氮作用可以把空气中的分子态氮转变为植物可利用的氨态氮。豆科植物与根瘤菌之间的这种独一无二的共生固氮“合作关系”引起了科学家们的广泛兴趣，科学界一直在豆科植物中寻找相关的调控基因。张忠明课题组自2006年开始进行相关研究。

豆科植物在种子发芽生根后，根瘤菌从根毛入侵植物根部，在一定条件下形成具有固氮能力的根瘤，正是根瘤中的类菌体将分子态氮转化为氨态氮，每个根瘤就是一座供给植物的微型氮肥厂，而根瘤菌本身的消耗极小。

SIP2正是一个调控根瘤菌共生信号及根瘤形成的基因，抑制其表达将导致根瘤菌侵入线形成的效率和植株结瘤能力显著降低，表明SIP2在豆科植物结瘤过程中起到了关键性的调控作用。这项成果为揭示根瘤菌与豆科植物共生关系、探索根瘤菌与非豆科植物建立共生固氮关系提供了研究基础。

近期另外一项研究也为我们带来了根瘤菌研究的惊喜——来自加拿大西蒙菲沙大学健康科学院的研究人员发现一种放射型根瘤菌或可推动研发出帮助免疫系统清除HIV的艾滋病疫苗。

研究人员发现这种放射型根瘤菌上的糖分子或可帮助激发我们的免疫系统识别出HIV表面的糖蛋白，促进机体免疫系统快速感知病毒的侵袭。（生物通：万纹）

原文摘要：

A MAP Kinase Kinase Interacts with SymRK and Regulates Nodule Organogenesis in Lotus japonicus.

The symbiosis receptor kinase, SymRK, is required for root nodule development. A SymRK-interacting protein (SIP2) was found to form protein complex with SymRK in vitro and in planta. The interaction between SymRK and SIP2 is conserved in legumes. The SIP2 gene was expressed in all Lotus japonicus tissues examined. SIP2 represents a typical plant mitogen-activated protein kinase kinase (MAPKK) and exhibited autophosphorylation and transphosphorylation activities. Recombinant SIP2 protein could phosphorylate casein and the Arabidopsis thaliana MAP kinase MPK6. SymRK and SIP2 could not use one another as a substrate for phosphorylation. Instead, SymRK acted as an inhibitor of SIP2 kinase when MPK6 was used as a substrate, suggesting that SymRK may serve as a negative regulator of the SIP2 signaling pathway. Knockdown expression of SIP2 via RNA interference (RNAi) resulted in drastic reduction of nodules formed in transgenic hairy roots. A significant portion of SIP2 RNAi hairy roots failed to form a nodule. In these roots, the expression levels of SIP2 and three marker genes for infection thread and nodule primordium formation were downregulated drastically, while the expression of two other MAPKK genes were not altered. These observations demonstrate an essential role of SIP2 in the early symbiosis signaling and nodule organogenesis.

作者简介：

张忠明，男，华中农业大学生命科学技术学院教授、博士生导师，1992－1993年在美国田纳西大学豆科植物研究中心分子遗传学实验室做访问学者，1996－1999年在美国俄亥俄州立大学分子遗传学系及植物学生物技术中心做访问学者，2001－2003年在加拿大西安大略大学生物系做副研究员。

目前主要从事根瘤菌与寄主植物相互作用分子机理的研究，以百脉根模式豆科植物为材料，利用根瘤菌结瘤因子受体、共生信号转导途径上的功能基因分离和鉴定调控共生信号传递的蛋白及其基因，在体内体外研究这些蛋白的结构、功能及调控机制。另一方面在水稻中开展共生基因同源物的分离，利用豆科植物共生突变体鉴定其功能。同时，将豆科植物一套共生信号转导功能基因导入水稻，在相应根瘤菌存在条件下，考察转基因水稻的共生效应。多次主持国家自然科学基金项目、国家教委留学回国基金项目、国家教委博士点基金项目、教育部高校骨干教师基金项目。