7月19日，湖南大學(xué)生物學(xué)院教授潘懷榮課題組在Nature Communications上發(fā)表研究成果，報(bào)道了根瘤特異信號(hào)肽蛋白酶BID1在調(diào)控根瘤細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-共生體信號(hào)傳遞方面的重要功能，發(fā)現(xiàn)了根瘤細(xì)胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-共生體信號(hào)傳遞途徑的“機(jī)關(guān)”。

潘懷榮（右）和楊劍（左）一起交流課題。受訪者 供圖

豆科植物可通過與根瘤菌進(jìn)行共生固氮作用獲得氮營養(yǎng)，研究豆科植物共生固氮機(jī)制可為減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的氮肥施用、變革農(nóng)作物營養(yǎng)獲取方式奠定理論基礎(chǔ)。目前，根瘤宿主細(xì)胞中的調(diào)控信號(hào)如何準(zhǔn)確傳遞到共生體中仍不清楚。

根瘤細(xì)胞中，從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向共生體運(yùn)輸?shù)恼{(diào)控蛋白如NCR多肽等，在它們的未成熟序列的N端會(huì)有信號(hào)肽肽段。此前研究表明，根瘤特異的DNF1信號(hào)肽酶切復(fù)合體能切除信號(hào)肽肽段，確保成熟蛋白的正確折疊和轉(zhuǎn)運(yùn)。

通過遺傳篩選，潘懷榮教授課題組發(fā)現(xiàn)了一個(gè)蒺藜苜蓿固氮缺失型突變體bid1，它只能形成白色圓形的小根瘤，根瘤細(xì)胞中的共生體不能夠正常分化，呈現(xiàn)出和自由生長類似的狀態(tài)。圖位克隆和全基因測序發(fā)現(xiàn)，bid1突變體中1號(hào)染色體上臂存在突變，2號(hào)染色體上某個(gè)片段發(fā)生易位。遺傳互補(bǔ)表明，正是這個(gè)易位突變導(dǎo)致了bid1突變體的表型。

BID1基因編碼信號(hào)肽蛋白酶的功能是降解被信號(hào)肽酶切復(fù)合體切除后，殘留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的信號(hào)肽片段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，BID1基因在根瘤組織中被根瘤菌侵染的細(xì)胞中特異表達(dá)。熒光共聚焦顯微觀察表明，BID1蛋白特異定位在根瘤細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。缺失BID1基因后，根瘤細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫相關(guān)基因被誘導(dǎo)。

楊劍在做實(shí)驗(yàn)。受訪者 供圖

“有意思的是，bid1突變體根瘤細(xì)胞中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)也發(fā)生了劇烈變化。這說明BID1是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形態(tài)維持的重要調(diào)控元件?！痹诖嘶A(chǔ)上，潘懷榮教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在bid1根瘤細(xì)胞中，多個(gè)關(guān)鍵共生體調(diào)控蛋白，如NCR001、NCR166、CAML1等，它們不能夠正確分泌到共生體上。

這就意味著，BID1是根瘤細(xì)胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-共生體信號(hào)傳遞途徑的關(guān)鍵元件，通過調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上殘留信號(hào)肽片段的清除控制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能和形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而控制宿主調(diào)控蛋白向共生體的定向運(yùn)輸。BID1基因的發(fā)現(xiàn)，為深入研究內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-共生體之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系和根瘤細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-共生體亞細(xì)胞運(yùn)輸路徑奠定了基礎(chǔ)。

湖南大學(xué)生物學(xué)院博士生楊劍是論文第一作者，潘懷榮是論文通訊作者。蘭州大學(xué)教授陳汝進(jìn)、副教授陳玉輝，鄭州煙草研究院研究員翟妞以及潘懷榮教授課題組碩士生王盧英對(duì)本論文有重要貢獻(xiàn)。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國-土耳其國際合作研究項(xiàng)目和長沙市科技計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40008-3

來源：《自然—通訊》、《中國科學(xué)報(bào)》