中国科学院大学现代农业科学学院

中科院遗传发育所杨维才团队利用定量蛋白组学发现大豆共生固氮界面关键蛋白和生物学途径

转自：JGG 遗传学报
日期：2022-04-25
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豆科植物和根瘤菌的共生固氮是生物圈可利用氮元素的主要来源之一。在根瘤侵染植物细胞形成的共生体内，细胞和根瘤菌之间通过共生体膜和菌周腔组成的共生界面实现营养物质转运、能量交换、信息交流和固氮微环境调控等过程。已有研究表明一些共生体膜蛋白在共生固氮过程中起重要作用，但对共生界面的蛋白组成还缺乏全面系统的研究。

2022年4月22日，Journal of Genetics and Genomics在线发表中国科学院遗传与发育生物学研究所杨维才院士团队题为“Quantitative proteomics reveals key pathways in the symbiotic interface and the likely extracellular property of soybean symbiosome”的研究论文。该研究揭示了大豆共生界面的蛋白组成和功能特征，为实现共生固氮的人工调控提供理论基础。

共生固氮单元——共生体的结构功能模式图

该研究利用定量蛋白组学鉴定了大豆-根瘤菌共生体膜上1,759个大豆蛋白和204个根瘤菌蛋白，以及菌周腔中1,476个大豆蛋白和369个根瘤菌蛋白。蛋白功能分析表明，和根内膜系统相比，共生体膜的氨基酸代谢、营养吸收及氮同化途径显著增强，而蛋白合成、蛋白修饰、内膜运输和细胞壁合成等途径显著下调。膜蛋白组成复杂性表明其起源具有多样性。此外，共生体膜上鉴定到的受体样激酶及菌周腔中鉴定到的外泌蛋白，表明共生体内微环境和胞外环境具有一定相似性。共生界面上除了大量植物来源的转运蛋白，还富集了根瘤菌来源的外围结合蛋白和转运系统蛋白，表明根瘤菌也参与了共生互作的物质转运过程。综上，该研究揭示了共生固氮过程中植物细胞和根瘤菌之间的物质交换和信号交流的精密调控机制，为了解共生界面的生物学功能提供重要启示。

共生界面上复杂多样的蛋白组成介导了大豆细胞-根瘤菌之间的信号传导、物质运输、微环境调控等生物学过程。共生体膜来源于植物内膜系统，其氨基酸代谢、营养吸收和氮同化过程显著增强。

中国科学院遗传与发育生物学研究所分子发育国家重点实验室罗昱副研究员为该论文第一作者，杨维才研究员和罗昱副研究员为共同通讯作者。相关工作得到科技部重点研发项目和中科院重点部署项目等资助。

引用本文：Yu Luo, Wei Liu, Juan Sun, Zheng-Rong Zhang, and Wei-Cai Yang. (2022). Quantitative proteomics reveals key pathways in the symbiotic interface and the likely extracellular property of soybean symbiosome. Journal of Genetics and Genomics.

DOI: 10.1016/j.jgg.2022.04.004.