華中農(nóng)業(yè)大學揭示轉(zhuǎn)錄因子GmNAC181促進大豆共生固氮和結(jié)瘤耐鹽性的新機制

　　近日，華中農(nóng)業(yè)大學植物科學技術(shù)學院大豆團隊在New Phytologist在線發(fā)表題為“GmNAC181 promotes symbiotic nodulation and salt tolerance of nodulation by directly regulating GmNINa expression in soybean”的研究論文。該研究揭示了NAC轉(zhuǎn)錄因子GmNAC181通過激活GmNINa和結(jié)瘤信號通路促進大豆結(jié)瘤的關(guān)鍵分子機制以及GmNAC181作為分子網(wǎng)絡節(jié)點協(xié)調(diào)鹽脅迫下共生結(jié)瘤的可塑性發(fā)育新機制。

 

　　大豆是最具經(jīng)濟效益的糧油作物，又是關(guān)系國計民生的重要基礎性、戰(zhàn)略性物資。我國是大豆主要的消費國和進口國，對外依存度超過85%的現(xiàn)狀使得我國大豆面臨嚴重危機。因此，大豆高產(chǎn)已成為國家重大需求。單產(chǎn)低是限制我國大豆產(chǎn)量的“卡脖子”問題，由于共生固氮可為大豆提供所需65%以上的氮素，其也是大豆高產(chǎn)的決定因子之一。2021年我國《“十四五”全國種植業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出通過“開發(fā)鹽堿地種大豆”進一步增加大豆種植面積，但鹽脅迫對結(jié)瘤及共生固氮的抑制將導致大豆大幅減產(chǎn)。由此可見，提高共生固氮效率特別是耐鹽穩(wěn)效固氮是增加大豆產(chǎn)量的重要前提，同時也能滿足我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大需求。截至目前，鹽脅迫下大豆結(jié)瘤及穩(wěn)效固氮遺傳機理尚未解析。

 

　　研究人員以結(jié)瘤信號通路重要轉(zhuǎn)錄因子GmNSP1a進行酵母雙雜交文庫篩選鑒定到了NAC家族轉(zhuǎn)錄因子GmNAC181；表達水平的檢測結(jié)果顯示GmNAC181在不同發(fā)育階段的根瘤中表達水平均明顯高于其他組織，而其表達在根瘤菌侵染的早期會被顯著抑制；功能研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)GmNAC181過表達促進根瘤形成而下調(diào)表達GmNAC181后根瘤數(shù)目又有明顯減少，說明GmNAC181是大豆結(jié)瘤過程中的正向調(diào)節(jié)子；通過氨基酸序列比對及煙草葉片中的瞬時轉(zhuǎn)化結(jié)果，證實了GmNAC181具備質(zhì)膜和細胞核同時定位的可能，同時在酵母細胞中證明GmNAC181有轉(zhuǎn)錄激活活性；結(jié)合基因表達水平的檢測結(jié)果，研究人員進一步利用ChIP-qPCR、EMSA及煙草瞬時共轉(zhuǎn)化體系確認GmNAC181可以直接結(jié)合編碼結(jié)瘤因子信號通路核心轉(zhuǎn)錄因子的GmNINa啟動子從而激活該基因的表達。更為重要的是，在鹽脅迫下被顯著誘導表達的GmNAC181正向調(diào)控大豆在鹽脅迫下的結(jié)瘤效率，顯著增強了大豆根系結(jié)瘤對鹽脅迫的抗性。

 

　　綜上所述，在共生固氮植物的長期進化歷程中，需要時刻面對陸地生態(tài)系統(tǒng)復雜的環(huán)境動蕩，例如鹽脅迫。具備共生固氮特性的植物需要在氮素營養(yǎng)獲取與逆境脅迫之間做出最精準的判斷與通路間的協(xié)調(diào)。作為一個大豆結(jié)瘤固氮的正向調(diào)節(jié)子，轉(zhuǎn)錄因子GmNAC181更可能是一個因“鹽脅迫”而存在的蛋白，其也很可能是以上整個復雜的分子網(wǎng)絡中關(guān)鍵的節(jié)點之一，通過直接對GmNINa的分子調(diào)控有效維持鹽脅迫下的結(jié)瘤固氮通路暢通。相關(guān)結(jié)果不僅為全面解析大豆耐鹽穩(wěn)效固氮的分子機制提供重要的數(shù)據(jù)支持，也為培育高固氮效率特別是鹽脅迫下穩(wěn)效固氮且穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的大豆新品種提供新模塊和新思路，最終為我國大豆產(chǎn)量提升做出重要貢獻。

 

　　植物科學技術(shù)學院博士研究生王小迪為本文的第一作者，作物遺傳改良國家重點實驗室、植物科學技術(shù)學院李霞教授和王幼寧副教授為本文共同通訊作者。植科院2018級本科生陳寬，碩士研究生周苗苗、高永康、黃慧梅、范圓圓及2016級本科生樊仔慧也參與了該項工作。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實驗室項目和湖北省自然科學基金項目的資助。

 

　　【英文摘要】

 

　　Soybean （Glycine max） is one of the most important crop worldwide. Under low nitrogen condition, soybean can form a symbiotic relationship with rhizobia to acquire sufficient nitrogen for their growth and production. Nodulation signaling controls soybean symbiosis with rhizobia. The soybean Nodule Inception （GmNINa） gene is a central regulator of soybean nodulation. However, the transcriptional regulation of GmNINa remains largely unknown. Nodulation is sensitive to salt stress, but the underlying mechanisms are unclear. Here, we identified a NAC transcription factor designated GmNAC181 （also known as GmNAC11） as the interacting protein of GmNSP1a. GmNAC181 overexpression or knockdown resulted in increased or decreased numbers of nodules, respectively, in soybean. Accordingly, the expression of GmNINa was greatly up- and downregulated, respectively. Furthermore, we showed that GmNAC181 can directly bind to the GmNINa promoter to activate its gene expression. Intriguingly, GmNAC181 was highly induced by salt stress during nodulation and promoted symbiotic nodulation under salt stress. We identified a new transcriptional activator of GmNINa in the nodulation pathway and revealed a mechanism by which GmNAC181 acts as a network node orchestrating the expression of GmNINa and symbiotic nodulation under salt stress conditions.

 

　　論文鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.18343