SCLS | 孔照胜/张一婧合作团队发现大豆和根瘤菌共生固氮过程中进行长距离转运的RNA

豆科植物与根瘤菌形成互惠共生关系，根瘤菌能够直接将大气中分子态氮转化成氨，供宿主植物吸收利用。在此过程中，植物向根瘤菌提供生存必需的能量和碳源，而根瘤菌则将固定的氮素供给植物作为合成氨基酸和蛋白质的氮源。因此，有效利用这一系统对农业的可持续发展和生物圈中的氮素循环至关重要。豆科植物与根瘤菌互作过程中形成独特的共生器官—根瘤，共生结瘤的过程由众多基因的表达及其调控 (共生相关基因、植物激素、细胞骨架等)、营养物质的交换和系统性信号转导等生物学过程共同参与，形成复杂的调控网络来精确调控根瘤的形成。有趣的是，豆科植物根瘤菌共生关系的形成离不开宿主植物的根部和地上部之间的信号交流。但是，根瘤菌侵染引起的植物根部与地上部分的RNA长距离转运机制尚不清楚。

近日，中国科学院微生物研究所孔照胜研究员课题组和中国科学院上海植物生理生态研究所张一婧研究员课题组合作在SCIENCE CHINA Life Sciences杂志上发表了题为Rhizobial infection triggers systemic transport of endogenous RNAs between shoots and roots in soybean 的研究论文，发现了大豆和根瘤菌共生固氮过程中进行长距离转运的RNA分子。

该研究发现大豆的两个栽培品种Peking和Williams在全基因组范围内存在高频率的单核苷酸多态性 (Single Nucleotide Polymorphism, SNP)。进而通过对这两个大豆品种进行异源嫁接，根据SNP的差异确定了嫁接植株中RNA的来源和移动性。该研究共鉴定了4552个能产生可移动RNA的基因。深入分析发现，在根瘤形成的早期能产生大量的可移动的RNA，并且这些RNA的丰度相对较低，表明这种在大豆植株之间的RNA转移是特异的，与RNA丰度无关。值得注意的是，在结瘤早期从地上部分转移到根部的RNA参与了许多与结瘤相关的生理过程。此外，发现许多已知的共生相关基因受到根瘤菌的侵染后可以在地上部分和根部之间进行长距离的转移。

图1 具有高频单核苷酸多态性 (SNP) 的两个大豆品种间的异源嫁接系统。(A) 实验流程和大豆嫁接的示意图；(B) 大豆Peking品种和Williams品种之间的嫁接并用根瘤菌USDA110侵染，标尺等于2厘米；(C) Peking (中国，红点) 和Williams (美国，黑点) 品种的原始收藏地；(D) Peking品种和Williams品种之间差异的SNP信息。

该研究首次发现大豆和根瘤菌共生固氮过程中进行长距离转运的RNA分子，这项发现有助于深入理解豆科植物与根瘤菌共生固氮过程中的系统性调控机制，也为更好地研究根瘤发育和生物固氮提供了新的理论依据。

图2  根瘤菌侵染引发大量的大豆内源RNA在地上部和根部之间进行转运。维恩图和大豆相互嫁接的示意图详细说明了在根瘤菌接侵染的不同时期在Peking和Williams之间移动的RNA数量；(A) 根瘤菌未侵染时只有很小一部分 (108个) RNA进行移动；(B) 根瘤菌侵染3天时引起大量的 (4524个) RNA进行长距离转移；(C) 侵染7天时只有67个RNA进行转移。

孔照胜组博士生张臣和张一婧组博士生齐美芳为共同第一作者，孔照胜研究员和张一婧研究员为通讯作者。该研究受到中国科学院重点研究计划和中国科学院战略性先导研究计划A的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1007/s11427-019-1608-7