中國(guó)科學(xué)院分子植物卓越中心等揭示豆科植物共生互作中核內(nèi)鈣信號(hào)的編碼機(jī)制

　　8月16日，《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所/中科院植物分子遺傳國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室謝芳研究組撰寫(xiě)的題為Constitutive activation of a nuclear-localized calcium channel complex in Medicago truncatula的研究論文。該研究揭示了在植物-微生物共生互作的共生信號(hào)途徑中核膜定位的鈣離子通道蛋白DMI1和CNGC15協(xié)同編碼核鈣信號(hào)的分子機(jī)制，為剖析共生過(guò)程鈣信號(hào)的形成提供了新見(jiàn)解。

 

　　鈣離子作為重要的第二信使，在真核生物多個(gè)信號(hào)通路中均發(fā)揮重要作用。在豆科植物與根瘤菌或菌根真菌的共生互作過(guò)程里，結(jié)瘤因子（Nod Factor，NF）或菌根因子（Myc factor，MF）激活的核及核周鈣振蕩是傳遞共生信號(hào)的核心事件。有效解析共生過(guò)程中鈣信號(hào)的編碼機(jī)制，相當(dāng)于解讀鈣指紋的密碼，可協(xié)助指導(dǎo)植物作出共生響應(yīng)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

 

　　在豆科植物與根瘤菌共生固氮體系中，根瘤作為豆科植物特化的、重要的共生固氮器官，受NF信號(hào)途徑激活而形成；而細(xì)胞核鈣振蕩作為NF信號(hào)的早期響應(yīng)調(diào)控著下游共生基因的表達(dá)（Ehrhard et al., 1996）。在蒺藜苜蓿（M. truncatula）中，DMI1與CNGC15是兩個(gè)定位于核膜的鈣離子通道蛋白，參與核及核周鈣振蕩的形成，且DMI1還可以與CNGC15相互作用（Charpentier et al., 2016）。然而，共生過(guò)程中核鈣信號(hào)的編碼以及DMI1與CNGC15如何調(diào)控核鈣信號(hào)形成的機(jī)制尚不清楚。

 

　　謝芳研究組在蒺藜苜蓿中篩選到一個(gè)自發(fā)結(jié)瘤突變體spd1（spontaneous nodule development 1），即在不接種根瘤菌或NF的情況下植物根部能形成根瘤器官。研究結(jié)合遺傳分析和基因定位，發(fā)現(xiàn)spd1是一個(gè)單基因控制的功能獲得性突變體，在離子通道蛋白DMI1的羧基端RCK2結(jié)構(gòu)域第760位絲氨酸發(fā)生了錯(cuò)義突變，即DMI1S760N。遺傳實(shí)驗(yàn)證明，表達(dá)DMI1S760N在野生型植物中，可以在不接種根瘤菌時(shí)形成根瘤器官，驗(yàn)證了spd1的自發(fā)結(jié)瘤表型確是DMI1S760N的突變導(dǎo)致。植物體內(nèi)細(xì)胞鈣成像技術(shù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞核鈣振蕩信號(hào)特異的在spd1根部將要形成根瘤的部位被自發(fā)激活。RNA-Seq和qRT-PCR結(jié)果進(jìn)一步表明，由NF及MF信號(hào)激活的共生基因在spd1中組成性表達(dá)，表明DMI1S760N作為DMI的功能獲得性形式自發(fā)激活了共生信號(hào)途徑。

 

　　該研究進(jìn)一步運(yùn)用結(jié)構(gòu)生物學(xué)和遺傳學(xué)手段闡明DMI1S760N的功能機(jī)制，發(fā)現(xiàn)DMI1S760N沒(méi)有改變DMI1的核膜定位以及與CNGC15相互作用的能力，但該突變或破壞了DMI1 RCK結(jié)構(gòu)域界面的分子間作用力，導(dǎo)致DMI1通道蛋白呈現(xiàn)為組成性激活形式。研究表明，DMI1S760N激活自發(fā)結(jié)瘤和共生基因表達(dá)依賴(lài)CNGC15的存在，且DMI1的鈣離子結(jié)合及選擇性活性是DMI1S760N激活自發(fā)結(jié)瘤所必需的。研究利用HEK 293T細(xì)胞的重組表達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)了通道蛋白活性，發(fā)現(xiàn)只有共表達(dá)DMI1S760N和CNGC15才能促進(jìn)胞內(nèi)鈣離子的內(nèi)流，并一定程度地介導(dǎo)有規(guī)律的鈣離子濃度變化。這種效應(yīng)依賴(lài)DMI1門(mén)環(huán)結(jié)構(gòu)上鈣離子的結(jié)合和選擇性位點(diǎn)以及DMI1和CNGC15的離子通道活性。

 

　　該工作通過(guò)對(duì)自發(fā)結(jié)瘤突變體spd1的研究，揭示了植物-微生物共生互作中鈣通道蛋白DMI1激活CNGC15的通道活性進(jìn)而促進(jìn)共生核鈣振蕩形成的分子機(jī)制。研究工作得到中科院青年科學(xué)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先到科技專(zhuān)項(xiàng)、比爾及梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)的支持。英國(guó)劍橋大學(xué)的科研人員參與研究。