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孔照胜研究员团队在《自然—植物》发表研究论文

11月1日,校党委常委、副校(院)长孔照胜研究员领衔的研究团队在国际植物学领域顶级期刊Nature Plants(2022年影响因子/JCR分区:17.352/Q1)发表了题为“A Legume Kinesin Controls Vacuole Morphogenesis for Rhizobia Endosymbiosis”的研究论文,揭示了驱动蛋白nKCBP调控根瘤菌内共生的分子细胞机制。Nature Plants同期发表了题为“nKCBP controls central vacuole formation for symbiosome development”的Research Briefing专栏推荐文章,发表了审稿人和Nature Plants编辑的官方点评。

豆科植物与根瘤菌间的共生固氮是自然界固氮效率最高、固氮量最大的生物固氮系统,对于维持生态系统氮循环与促进农业可持续发展有着举足轻重的意义。根瘤菌在宿主细胞内增殖分化,发育成具有固氮能力的类菌体。类菌体被宿主植物来源的膜完整地包裹,这个结构称为共生体。共生体是共生细胞内特有的细胞器,是最基本的固氮单元。由于植物细胞有细胞壁包被,并且需要维持液泡膨压来调控细胞发育分化,共生结瘤固氮是唯一一例细菌在宿主植物活细胞中内共生的进化事件。但是,迄今为止仍然缺乏深入的细胞生物学证据来回答根瘤菌如何在宿主植物活细胞中实现内共生,宿主细胞如何形成和维持共生界面,从而保证高效固氮?

图1 nkcbp突变体生长表型和共生表型分析

图2 野生型和nkcbp突变体根瘤侵染细胞液泡三维结构

图3 nKCBP通过调节细胞骨架动态重构来调控液泡发生和共生界面形成,从而控制根瘤菌内共生与

高效固氮的工作模型

该研究表明,KCBP (Kinesin-like Calmodulin-Binding Protein)是植物特有的微管马达蛋白,具有同时结合微管和微丝的能力,调控细胞骨架动态重构和细胞形态建成。有趣的是,KCBP基因在豆科植物中特异发生基因加倍,并且演化出根瘤中富集表达的拷贝nKCBP,为根瘤菌所利用,调控结瘤固氮。蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)nkcbp突变体出现生长缺陷(图1a)和固氮能力显著下降(图1b)。液泡从野生型的典型中央大液泡(图1c和图2a)变成了大量随机分布的未融合小液泡(图1d和图2b)。部分侵染细胞内共生体不能分化、共生体膜加厚,细胞骨架辐射状排布被破坏而呈现随机、无序的排布模式。因此,nKCBP通过调节细胞骨架动态重构来调控液泡发生和共生界面形成(图3),从而控制根瘤菌内共生与高效固氮。

中国科学院微生物研究所助理研究员张霞霞为论文第一作者;中国科学院遗传与发育生物学研究所薛勇彪研究员,中国科学院分子植物科学卓越创新中心张一婧研究员,马萨诸塞大学Dong Wang教授,华中农业大学李友国教授、陈大松副教授也参与了本项研究;孔照胜研究员为通讯作者。

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