【Mol Plant】重大进展！中国农业大学利用co-IP技术等解析豆科植物共生固氮碳源供给机制

2023年8月19日，中国农业大学生物学院王涛、董江丽教授团队在《分子植物》（Molecular Plant）上发表了题为《豆科植物特有的能量感受器SnRK1促进苹果酸供应给类细菌进行共生固氮》(Legume-specific SnRK1 promotes malate supply to bacteroids for symbiotic nitrogen fixation) 的研究论文。

该研究发现了豆科植物特异的新型能量感受器家族蛋白SnRK1a4，证明其是共生固氮的正调节子。SnRK1a4被上游激酶DMI2激活，并进一步磷酸化苹果酸脱氢酶MDH，促进苹果酸产生，为类菌体提供碳源，保障植物和微生物碳氮交换，促进共生固氮。DMI2-SnRK1α4-MDH为构建谷类作物的共生固氮提供了新模块。

据统计，生物固氮每年能为农业系统提供5000-7000万吨的固定态氮源，而共生固氮更是生物固氮中固定氮源最多的分支，这种自然界高效而环境友好的固氮方式不仅能满足植物在低氮环境下生长发育的需求，更极大地促进了大气圈的氮素循环。豆科植物共生固氮是一个高度耗能的过程，每获取1 g 固定的氮需要消耗12～17 g的碳源。在低氮条件下，豆科植物如何分配能量和碳源实现高耗能共生固氮的分子机制尚不清楚。

为了挖掘苜蓿中调控共生固氮能量供给的关键基因，本研究分析了真核生物的能量感受器蛋白家族AMPK/SnRK1/SNF1行使激酶功能的关键亚基α的遗传进化关系，发现了一类新型的SnRK1α亚基，在豆科中单独进化为一支，将此新型的SnRK1α亚基命名为SnRK1α4。

通过酵母文库筛选互作蛋白和免疫共沉淀（co-IP）等实验证明参与结瘤的一个关键上游激酶 DMI2能与SnRK1α4相互作用，并且DMI2能磷酸化SnRK1a4，通过表型分析，表明了DMI2激活SnRK1a4调控共生固氮。进一步的证据表明，SnRK1α4 磷酸化苹果酸脱氢酶 MDH1/2，促进细胞质中苹果酸的产生，为类菌体提供碳源。因此，科研人员的发现揭示了DMI2-SnRK1α4-MDH途径在促进共生固氮的碳源向类菌体供应方面的重要作用，并为构建谷类作物的共生固氮作用提供了一个新模块。