研究人员发现豆科植物与细菌共生的关键联系

豆科植物具有与土壤中的固氮细菌(称为根瘤菌)相互作用的独特能力。豆类和根瘤菌在氮饥饿时形成共生关系，使植物无需外部供应的氮即可茁壮成长。共生根瘤形成在植物的根部，很容易被固氮细菌定殖。细胞表面受体 SYMRK(共生受体样激酶)负责介导从根瘤菌感知到根瘤形成的共生信号。直到最近，该受体的激活机制仍不清楚。

在这项研究中，研究人员现已确定了四个重要的磷酸化位点，它们充当豆科植物和固氮细菌之间共生关系的催化剂。细胞表面共生途径的初始步骤已被充分表征，然而，多年来研究领域一直未能了解信号如何向下游传递。这些必需磷酸化位点的发现是将与固氮细菌形成共生关系的能力转化为农作物的重要一步。

“我们知道受体及其活性对于建立共生至关重要，但我们不知道如何或为什么。磷酸化是调节激酶活性的常见机制，因此我们推测 SYMRK 功能与特定磷酸化有关，”Nikolaj Abel 解释道。

通过与南丹麦大学 Ole Nørregaard Jensen 实验室合作，在 SYMRK 激酶的不同区域发现了多个磷酸化位点。研究人员能够通过消耗或模拟体内磷酸化来缩小重要位点的范围。具体来说，SYMRK N 端区域的四个位点在突变时表现出很强的表型。

“我们通过创建受体变体并将其重新引入缺乏功能性 SYMRK 受体的植物来探索位点特异性突变的影响。观察到没有根瘤菌的自发结瘤，或者尽管存在根瘤菌却没有结瘤，这表明我们已经瞄准了对共生途径至关重要的元素，”Nikolaj Abel 解释道。

为了了解已识别的磷酸化位点位于 SYMRK 激酶上的位置，研究人员确定了 SYMRK 胞内结构域的结构。

“我们需要能够将磷酸化位点映射到 SYMRK 激酶的结构模型上，以真正了解这些磷酸化位点如何实现下游信号传导。我们在 N 末端 α 螺旋区域发现了一个结构保守的基序，我们将其称为“α-I 基序”。该区域包含四个保守的磷酸化位点，”Malita Nørgaard 解释道。

目标是实现重要作物的根瘤共生

长期目标是实现大麦、玉米和水稻等重要作物的根瘤共生。这些作物需要大量氮肥才能生长，造成巨大的CO 2足迹，并使小农无法稳定产量。

随着成功鉴定出对启动豆科植物结瘤程序至关重要的磷酸化位点，研究人员相信这一新发现的知识对于将固氮特性转化为作物具有广阔的前景。