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豆科植物與根瘤菌形成的共生固氮體系是自然界最高效的生物固氮方式之一，每年為生態(tài)系統(tǒng)貢獻(xiàn)大量可利用氮。在這一過程中，根瘤菌通過侵染線進(jìn)入植物細(xì)胞，被宿主來源的共生體膜包裹后形成可固氮的類菌體，這一功能單元被稱為共生體。經(jīng)典模型認(rèn)為，植物為類菌體提供二羧酸鹽作為碳源，而類菌體則將固定的氮以氨態(tài)氮形式輸送給植物。但越來越多證據(jù)表明，氨基酸在豆科植物與根瘤菌之間的跨界交換同樣也是實(shí)現(xiàn)高效固氮的重要環(huán)節(jié)。
近日，中國科學(xué)院微生物研究所孔照勝團(tuán)隊(duì)在Plant Communications發(fā)表了題為“Symbiosome membrane-localized cationic amino acid transporters support symbiotic nitrogen fixation inMedicago truncatula”的研究論文，首次發(fā)現(xiàn)共生體膜氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與維持高效共生固氮，為理解豆科植物與根瘤菌共生調(diào)控機(jī)制提供了關(guān)鍵證據(jù)。 苜蓿與根瘤菌的共生固氮體系是研究植物-微生物互作的經(jīng)典模型。其氨基酸交換機(jī)制是這一共生關(guān)系的核心，主要指植物為根瘤菌提供碳源（以氨基酸形式），而根瘤菌則將固定的氮（以特定氨基酸或酰脲形式）供給植物。這一生理過程揭示了一種高效且精密的生物間互作模式，展示了真核生物與原核生物之間如何通過代謝分工和交換，形成一個(gè)高度整合的“超生物”系統(tǒng)。這種互惠共生建立在精確的信號(hào)對(duì)話、相互調(diào)控和資源交換基礎(chǔ)上，是研究復(fù)雜生物互作的典范。 圖：MtCAT1c亞細(xì)胞定位及突變體表型 本項(xiàng)研究在蒺藜苜蓿共生體膜上鑒定出三個(gè)陽離子氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（CAT, cationic amino acid transporter）：MtCAT1a、MtCAT1b和MtCAT1c。其中MtCAT1b和MtCAT1c在根瘤侵染細(xì)胞中高表達(dá)，并定位于共生體膜，而MtCAT1a在共生過程中功能較弱。遺傳學(xué)分析表明，MtCAT1b和MtCAT1c可能協(xié)同調(diào)控類菌體的氨基酸代謝穩(wěn)態(tài)。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，突變體中類菌體出現(xiàn)異常積累的PHB（Poly-β-hydroxybutyrate），表明類菌體代謝異常。轉(zhuǎn)錄組分析顯示，突變體中的類菌體碳氮代謝途徑受損， ATP合成能力下降，最終導(dǎo)致突變體根瘤固氮酶活性降低。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，MtCAT1b和MtCAT1c能夠相互作用，推測(cè)二者可能協(xié)同發(fā)揮功能。酵母轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)顯示，MtCAT1b和MtCAT1c對(duì)精氨酸等共生關(guān)鍵氨基酸具備轉(zhuǎn)運(yùn)能力。 圖：共生體膜定位的MtCAT1b和MtCAT1c維持高效共生固氮關(guān)系 這些發(fā)現(xiàn)首次揭示了氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在共生體膜中的關(guān)鍵作用，為維持高效共生固氮體系提供了重要分子基礎(chǔ)，其生物學(xué)意義遠(yuǎn)超一個(gè)生理過程的描述。它是理解自然界中最成功的共生關(guān)系之一的鑰匙，連接著基礎(chǔ)生物學(xué)（代謝、信號(hào)、進(jìn)化）和重大應(yīng)用前景（綠色農(nóng)業(yè)、生物工程）。這項(xiàng)研究從根本上解釋了植物和細(xì)菌如何通過“貿(mào)易”實(shí)現(xiàn)雙贏，并為人類模仿自然智慧以解決糧食安全和環(huán)境問題提供了至關(guān)重要的啟示,開拓了氮經(jīng)濟(jì)策略的新思路，也為更全面的理解共生系統(tǒng)的穩(wěn)定與調(diào)控提供了理論基礎(chǔ)。 在本項(xiàng)研究中，已經(jīng)服役了10年有余的Implen Nanophotometer? P330老型號(hào)超微量分光光度計(jì)用于提取的RNA的濃度和純度分析，確保質(zhì)量合格的樣本用于qRT-PCR。以快速、可靠著稱的Nanophotometer?，是各種類型核酸樣本質(zhì)控的理想工具，為包括PCR和測(cè)序在內(nèi)的后續(xù)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)保駕護(hù)航，提高數(shù)據(jù)的可靠性。 新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，總有Implen的身影，Nanophotometer?是科學(xué)家的好伙伴。
