最新研究揭示大豆與根瘤菌匹配性進化機制

　　 1月15日，河南大學作物逆境適應與改良國家重點實驗室教授王學路團隊和華中農業大學教授李友國在《自然—植物》發表研究論文，揭示了大豆與根瘤菌共進化過程中，根瘤菌由裂隙侵染向根毛侵染方式轉化的遺傳、分子和進化機制，這種侵染方式的轉變對于增強大豆共生固氮能力和提高大豆產量起到了重要作用。

　　該研究首先對來自于世界各地的496份大豆核心種質進行重測序，構建了自然變異群體，并使用這個包含廣泛變異的自然群體，分別接種慢生型根瘤菌USDA110并測定根瘤數目，發現這個群體的品種間存在廣泛的變異。進一步通過全基因組關聯分析，并結合遺傳分析和分子生物學方法，定位并證明一個具有TIR-NBS-LRR結構域的R基因（命名為GmNNL1），對根瘤數目有重要影響。

　　進一步分析發現，在大豆的自然選擇和人工馴化以及與根瘤菌的共進化過程中，一類GmSINE1的轉座子插入導致了該基因的功能喪失，從而促進了大豆對土壤土著根瘤菌的識別，并顯著促進了根瘤固氮酶活以及地上部分生物量的增加。全長的GmNNL1僅存在于少數農家種中，并且主要分布在栽培大豆的起源地。對GmNNL1的表達模式與功能研究表明，GmNNL1主要在根毛中表達并主要影響根瘤菌的根毛侵染途徑，幾乎不影響原始的裂縫侵染途徑，表明GmNNL1失活單倍型的出現，是導致根瘤菌侵染大豆由裂縫侵染向根毛侵染轉變的重要原因。此外，通過質譜鑒定與生物化學以及遺傳分析表明，在部分農家種中，全長的GmNNL1蛋白通過與根瘤菌的三型分泌系統效應蛋白NopP直接相互作用從而激活ETI抑制大豆與USDA110的共生。

　　該研究不僅揭示了在大豆與根瘤菌互作過程中宿主與寄主匹配性的遺傳和分子機制，而且闡釋了根瘤菌與大豆共進化過程中，根瘤菌由裂縫侵染演化成高效的根毛侵染過程的重大分子事件，也為大豆高效固氮的分子設計育種提供了重要理論依據和目標基因。