2022年2月12日 国立大学法人筑波大学 国立研究开发法人农业食品产业技术综合研究机构 国立研究开发法人科学技术振兴机构( JST ) 从土壤中吸收？ 还是从微生物那里得到？ 硝酸根离子转运获得豆科植物氮素营养的策略 豆科植物通过形成称为根瘤的器官，与根瘤菌建立共生关系(根瘤共生)，可以利用空中氮作为肥料。 这虽然有利于进入缺乏氮营养的土壤环境等，但需要从植物向根瘤菌提供能量。 因此，已知植物为了防止不必要的能量消耗，在硝酸等氮营养丰富的土壤中停止根瘤共生，直接从土壤中获得氮营养。 近年来，由于相关基因的相继发现，与控制这一现象相关的机制得到了进一步的理解，但是将氮营养和根瘤共生联系在一起的具体机制仍未明确。 本研究使用豆科模式植物百脉根，明确了硝酸离子转运体之一的LjNRT2.1蛋白质，具有根据硝酸离子的量对根瘤共生的抑制、控制进行中介的功能。 植物感知到高浓度的硝酸根离子后，LjNRT2.1基因的表达在LjNLP1转录因子的作用下上升。 另外，硝酸根离子通过LjNRT2.1蛋白质流入细胞内，表明LjNLP4转录因子向细胞核移动，可能调节与根瘤形成相关的各种基因的表达。 另外，在根瘤共生时作用的LjNIN转录因子导致LjNRT2.1基因的表达减少，这与硝酸根离子摄取量的调节有关。 这些发现暗示了豆科植物特有的生存战略，即将氮素营养的获得源从土壤转移到根瘤，进行根瘤共生。 本研究明确了植物巧妙的生存战略的一部分，即根据环境改变器官形成和营养获取方式。 今后，我们期待着阐明植物适应环境的结构全貌，并为利用微生物共生实现可持续农业做出贡献。 研究代表 筑波大学生命环境系 寿崎拓哉副教授
研究背景 氮是核酸和蛋白质的主要组成成分，是所有生物赖以生存的必需营养素。 植物从根部吸收硝酸态和氨态土壤中存在的氮营养进行利用。 但是，以豆科为代表的部分植物，不仅可以利用土壤中的氮营养，还可以利用大气中的氮。 因为在根上形成了一个叫做根瘤的器官，根瘤中有固氮注1 )使细菌根瘤菌迅速消失。 这种现象被称为根瘤共生注2 )，豆科植物的光合产物作为根瘤形成和根瘤菌的能源被消耗。 根瘤共生对植物在缺乏氮营养的土壤中生长非常有用。 但是，在氮营养丰富的土壤中，植物即使不进行根瘤共生也能获得氮营养。 因此豆科植物在氮营养丰富的土壤中，通过从依赖根瘤的氮营养获得战略转换为直接获得土壤中氮营养的战略，防止了与根瘤共生所带来的不必要的能量消耗。 迄今为止，本研究小组利用豆科模式植物百脉根注3 )研究了“植物在氮营养丰富的环境下停止根瘤共生的机制”，鉴定了在其调控中起中心作用的被称为NLP类型的两个转录因子注4 ) ( LjNLP1、LjNLP4)。LjNLP4转录因子的研究表明，LjNLP4可根据硝酸根离子浓度的变化调节根瘤形成相关基因的表达，调控根瘤共生。 但是，在这个结构中硝酸根离子的感知和吸收是如何进行的，它是如何与基因表达的调控联系在一起的，还没有弄清楚。
研究内容和成果 在存在高浓度硝酸根离子的土壤中，野生型植物的根瘤形成受到抑制。 本研究分离了一种新的突变体( nrsym3突变体)，其根瘤形成不受硝酸根离子的抑制(图1 )。 另外，查明了该变异的原因在于编码硝酸离子转运体注5 )之一的LjNRT2.1的基因。 实际上，由于nrsym3突变体吸收硝酸根离子的能力下降，显示了LjNRT2.1吸收硝酸根离子与控制根瘤形成的关系。 接下来，研究了通过给根赋予硝酸根离子，LjNRT2.1基因的表达如何变化。 结果表明，野生型植物中LjNRT2.1基因响应硝酸根离子表达上调，而LjNLP1功能丧失的突变体( LjNLP1突变体)中LjNRT2.1基因表达不上调。 此外，研究还发现，短暂表达LjNLP1基因后，LjNRT2.1基因的表达也会相应上升。这些结果表明LjNLP1转录因子具有表达LjNRT2.1基因所需且充分的功能。
本研究小组的前期研究表明，硝酸根离子存在时，LjNLP4转录因子向细胞核移动，调节靶基因的表达。 本研究新发现，在LjNLP1和LjNRT2.1功能丧失的突变体中，即使存在硝酸根离子，LjNLP4也不会向核移动。 这一结果表明，LjNLP4转录因子向细胞核迁移需要LjNLP1和LjNRT2.1。 综合这些结果，提出了说明高浓度硝酸根离子如何控制根瘤形成、其结构的模型。 (图2 )。 另外，本研究还表明，根瘤形成时特异性作用的LjNIN转录因子抑制了LjNLP1转录因子对LjNRT2.1基因的表达诱导。 另外，发现接种了根瘤菌的植物与没有接种的植物相比，从土壤中吸收的硝酸根离子的量更少。 基于这些见解，豆科植物表明，随着根瘤的形成，氮素营养的获得源有可能从土壤中向依赖根瘤的物质转移。 通过这次的研究，明确了进行根瘤共生的豆科植物特有的氮营养获得战略的结构的一部分。
今后的开展 本研究着眼的硝酸根离子转运体NRT2.1存在于所有陆地植物中。 已知在研究进展中的拟南芥中，NRT2.1负责低浓度硝酸离子的摄取，另一方面，另一种硝酸离子转运体参与了高浓度硝酸离子的摄取。 本研究首次表明豆科植物中NRT2.1的功能。 研究表明，在三文治中，LjNRT2.1与低高浓度无关，均与硝酸根离子的摄取有关，以及LjNRT2.1功能缺损的影响在高浓度硝酸根离子存在下表现明显。 这些表明，在豆科植物中，NRT2.1的功能可能进化成了独特的东西。 可以认为，通过改变硝酸离子转运体的功能和使用方法，进行根瘤共生的植物发展了适合其生存方式的氮素营养的获取战略。 今后，通过在各种植物种类中比较分析NRT2.1和其他硝酸离子转运体的功能差异，有望明确植物营养环境适应机制的共性和多样性。 另外，了解响应氮营养的抑制根瘤共生的机制对于兼顾氮肥和根瘤共生获得氮营养很重要，今后的研究进展有望为实现以大豆为代表的豆科作物的高效肥料管理等可持续农业做出贡献。 参考图
图1 .百脉根野生型植物和nrsym3突变体表现型 野生型植物中高浓度硝酸存在会形成未成熟的根瘤，而nrsym3突变体中无论有无硝酸都会形成成熟的根瘤。 箭头表示根瘤。 比例尺:1 mm
图2 .硝酸根离子( NO3 )介导的根瘤形成相关基因表达调节模型 土壤中的硝酸根离子通过LjNRT2.1蛋白进入细胞，从而使LjNLP4转录因子向细胞核迁移。 转入细胞核的LjNLP4转录因子与根瘤相关基因的DNA序列结合，调节基因的表达。 用语解说 注1 )固氮 将大气中的氮转换为植物可以利用的氨的形式的反应。 在根瘤共生中，进行了在根瘤中细胞内共生的根瘤菌。 注2 )根瘤共生 豆科植物通过与土壤中存在的根瘤菌的相互作用，在根部形成被称为根瘤的器官。 根瘤中共生着根瘤菌，固定大气中的氮。 宿主植物代替从根瘤菌接收固定的氮源，而是作为能源将光合产物赋予根瘤菌。 注3 )百脉根
豆科的模式植物。 学名是Lotus japonicus。 由于基因组大小比较小、可室内栽培、转化方法已经建立等原因适合遗传学实验，被广泛用作植物微生物相互作用的研究材料。 注4 )转录因子 是与DNA序列特异性结合，具有调节目标基因表达功能的蛋白质的总称。 注5 )硝酸根离子转运体 硝酸根离子在自然界中的浓度一般低于体内，而且体内细胞内外硝酸根离子的浓度不同。 植物可以逆着这种浓度梯度从土壤中吸收硝酸根离子，将硝酸根离子转运到体内合适的组织和器官中。 此时起作用的是硝酸根离子转运体( Nitrate transporter )，简称为NRT。 NRT2.1是属于NRT2家族的NRT蛋白之一。
研究资金 本研究由科研经费基础研究( b ) ( JP19H03239 )、学术变革领域研究( a )“不均一环境与植物”计划研究( JP20H05908 )、科技振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业总结实施型研究( ERATO )“野村集团微生物控制项目”( JPMJER1502 )的一部分实施。 刊登论文 【主题名称】nitrate transport via nrt 2.1 mediates nin-like protein-dependent suppression of root nodulation in lotus japonicus (百脉根硝酸根离子转运体NRT2.1介导抑制近生命蛋白依赖性根瘤形成)【著者名】 Misawa F1,# , Ito M1,# , Nosaki S1 , Nishida H2 , Watanabe M1 , Suzuki T3 , Miura K1 , Kawaguchi M4 , Suzaki T 1 （#Co-first author） 三澤文香 1,#、壽崎（伊藤）百代 1,#、野崎翔平 1、西田帆那 2、渡部将弘 1、鈴木孝征 3、三浦謙治 1、川口 正代司 4、壽崎拓哉 1（#共同第一著者） 1Faculty of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba（筑波大学生命環境系），２Institute of Agrobiological Sciences, National Agriculture and Food Research Organization （農業・食品産業技 術総合研究機構），3College of Bioscience and Biotechnology, Chubu University（中部大学応用生物学 部），4Division of Symbiotic Systems, National Institute for Basic Biology（基礎生物学研究所共生シス テム研究部門）
刊登论文 【题名】nitrate transport via nrt 2.1 mediates nin-like protein-dependent suppression of root nodulation in Lotus japonicus (车轴草硝酸根离子转运体NRT2.1介导抑制近生命蛋白依赖性根瘤形成) 【作者姓名】Misawa F1，# ，Ito M1，# ，Nosaki S1 ，Nishida H2 ，Watanabe M1 ，Suzuki T3 ，Miura K1 ，Kawaguchi M4 ，Suzaki T 1 (#Co-first author ) 三泽文香1，#，寿崎(伊藤)百代1，#，野崎翔平1，西田帆那2，渡部将弘1，铃木孝征3，三浦谦治1，川口 正代司4、寿崎拓哉1(#共同第一作者) 1生命和环境健康1筑波大学生命环境2Institute 农业食品产业技术 技术综合研究机构)，3 college of bioscience and biotechnology，Chubu University (中部大学应用生物学 部)，4Division of Symbiotic Systems，national institute for basic biology (基础生物学研究所共生系统 泰姆研究部门) 【刊登杂志】The Plant Cell 【刊登日期】2022年2月11日(当地时间) 【DOI】10.1093/plcell/koac046 联系方式 【有关研究的事情】 寿崎拓哉 筑波大学生命环境系/筑波功能植物创新研究中心( T-PIRC )副教授 TEL: 029-853-4674 e-mail:su zaki.takuya.fn [ at ] u.Tsukuba.AC.jp URL:https://trios.Tsukuba.AC.jp/researcher/0000003814 【采访报道相关事宜】 筑波大学宣传室 TEL: 029-853-2040 e-mail:koho situ [ at ] un.Tsukuba.AC.jp 科学技术振兴机构宣传科 TEL: 03-5214-8404 电子邮件: jst koho [ at ] jst.go.jp 6 【关于JST事业的事】 科技振兴机构研究项目推进部ICT/创新组 今林文枝 TEL: 03-3152-3528 电子邮件: erato www [ at ] jst.go.jp
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