研究揭示豆科植物共生互作中核内钙信号编码机制

8月16日，《美国国家科学院院刊》（PNAS）在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所/中科院植物分子遗传国家重点实验室谢芳研究组撰写的题为Constitutive activation of a nuclear-localized calcium channel complex in Medicago truncatula的研究论文。该研究揭示了在植物-微生物共生互作的共生信号途径中核膜定位的钙离子通道蛋白DMI1和CNGC15协同编码核钙信号的分子机制，为剖析共生过程钙信号的形成提供了新见解。

钙离子作为重要的第二信使，在真核生物多个信号通路中均发挥重要作用。在豆科植物与根瘤菌或菌根真菌的共生互作过程里，结瘤因子（Nod Factor，NF）或菌根因子（Myc factor，MF）激活的核及核周钙振荡是传递共生信号的核心事件。有效解析共生过程中钙信号的编码机制，相当于解读钙指纹的密码，可协助指导植物作出共生响应，对农业生产的可持续发展意义重大。

在豆科植物与根瘤菌共生固氮体系中，根瘤作为豆科植物特化的、重要的共生固氮器官，受NF信号途径激活而形成；而细胞核钙振荡作为NF信号的早期响应调控着下游共生基因的表达（Ehrhard et al., 1996）。在蒺藜苜蓿（M. truncatula）中，DMI1与CNGC15是两个定位于核膜的钙离子通道蛋白，参与核及核周钙振荡的形成，且DMI1还可以与CNGC15相互作用（Charpentier et al., 2016）。然而，共生过程中核钙信号的编码以及DMI1与CNGC15如何调控核钙信号形成的机制尚不清楚。

谢芳研究组在蒺藜苜蓿中筛选到一个自发结瘤突变体spd1（spontaneous nodule development 1），即在不接种根瘤菌或NF的情况下植物根部能形成根瘤器官。研究结合遗传分析和基因定位，发现spd1是一个单基因控制的功能获得性突变体，在离子通道蛋白DMI1的羧基端RCK2结构域第760位丝氨酸发生了错义突变，即DMI1S760N。遗传实验证明，表达DMI1S760N在野生型植物中，可以在不接种根瘤菌时形成根瘤器官，验证了spd1的自发结瘤表型确是DMI1S760N的突变导致。植物体内细胞钙成像技术检测发现，细胞核钙振荡信号特异的在spd1根部将要形成根瘤的部位被自发激活。RNA-Seq和qRT-PCR结果进一步表明，由NF及MF信号激活的共生基因在spd1中组成性表达，表明DMI1S760N作为DMI的功能获得性形式自发激活了共生信号途径。

该研究进一步运用结构生物学和遗传学手段阐明DMI1S760N的功能机制，发现DMI1S760N没有改变DMI1的核膜定位以及与CNGC15相互作用的能力，但该突变或破坏了DMI1 RCK结构域界面的分子间作用力，导致DMI1通道蛋白呈现为组成性激活形式。研究表明，DMI1S760N激活自发结瘤和共生基因表达依赖CNGC15的存在，且DMI1的钙离子结合及选择性活性是DMI1S760N激活自发结瘤所必需的。研究利用HEK 293T细胞的重组表达系统检测了通道蛋白活性，发现只有共表达DMI1S760N和CNGC15才能促进胞内钙离子的内流，并一定程度地介导有规律的钙离子浓度变化。这种效应依赖DMI1门环结构上钙离子的结合和选择性位点以及DMI1和CNGC15的离子通道活性。

该研究通过对自发结瘤突变体spd1的研究，揭示了植物-微生物共生互作中钙通道蛋白DMI1激活CNGC15的通道活性进而促进共生核钙振荡形成的分子机制。研究工作得到中科院青年科学家基础研究项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院战略性先到科技专项、比尔及梅琳达·盖茨基金会的支持。英国剑桥大学的科研人员参与研究。

来源：中国科学院分子植物科学卓越创新中心

转自：“中科院之声”微信公众号

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