研究揭示豆科植物共生互作中核內鈣信號的編碼機制

　　8月16日，《美國國家科學院院刊》（PNAS）在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所/中科院植物分子遺傳國家重點實驗室謝芳研究組撰寫的題為Constitutive activation of a nuclear-localized calcium channel complex in Medicago truncatula的研究論文。該研究揭示了在植物-微生物共生互作的共生信號途徑中核膜定位的鈣離子通道蛋白DMI1和CNGC15協同編碼核鈣信號的分子機制，為剖析共生過程鈣信號的形成提供了新見解。

　　鈣離子作為重要的第二信使，在真核生物多個信號通路中均發揮重要作用。在豆科植物與根瘤菌或菌根真菌的共生互作過程里，結瘤因子（Nod Factor，NF）或菌根因子（Myc factor，MF）激活的核及核周鈣振蕩是傳遞共生信號的核心事件。有效解析共生過程中鈣信號的編碼機制，相當于解讀鈣指紋的密碼，可協助指導植物作出共生響應，對農業生產的可持續發展意義重大。

　　在豆科植物與根瘤菌共生固氮體系中，根瘤作為豆科植物特化的、重要的共生固氮器官，受NF信號途徑激活而形成；而細胞核鈣振蕩作為NF信號的早期響應調控著下游共生基因的表達（Ehrhard et al., 1996）。在蒺藜苜蓿（M. truncatula）中，DMI1與CNGC15是兩個定位于核膜的鈣離子通道蛋白，參與核及核周鈣振蕩的形成，且DMI1還可以與CNGC15相互作用（Charpentier et al., 2016）。然而，共生過程中核鈣信號的編碼以及DMI1與CNGC15如何調控核鈣信號形成的機制尚不清楚。

　　謝芳研究組在蒺藜苜蓿中篩選到一個自發結瘤突變體spd1（spontaneous nodule development 1），即在不接種根瘤菌或NF的情況下植物根部能形成根瘤器官。研究結合遺傳分析和基因定位，發現spd1是一個單基因控制的功能獲得性突變體，在離子通道蛋白DMI1的羧基端RCK2結構域第760位絲氨酸發生了錯義突變，即DMI1S760N。遺傳實驗證明，表達DMI1S760N在野生型植物中，可以在不接種根瘤菌時形成根瘤器官，驗證了spd1的自發結瘤表型確是DMI1S760N的突變導致。植物體內細胞鈣成像技術檢測發現，細胞核鈣振蕩信號特異的在spd1根部將要形成根瘤的部位被自發激活。RNA-Seq和qRT-PCR結果進一步表明，由NF及MF信號激活的共生基因在spd1中組成性表達，表明DMI1S760N作為DMI的功能獲得性形式自發激活了共生信號途徑。

　　該研究進一步運用結構生物學和遺傳學手段闡明DMI1S760N的功能機制，發現DMI1S760N沒有改變DMI1的核膜定位以及與CNGC15相互作用的能力，但該突變或破壞了DMI1 RCK結構域界面的分子間作用力，導致DMI1通道蛋白呈現為組成性激活形式。研究表明，DMI1S760N激活自發結瘤和共生基因表達依賴CNGC15的存在，且DMI1的鈣離子結合及選擇性活性是DMI1S760N激活自發結瘤所必需的。研究利用HEK 293T細胞的重組表達系統檢測了通道蛋白活性，發現只有共表達DMI1S760N和CNGC15才能促進胞內鈣離子的內流，并一定程度地介導有規律的鈣離子濃度變化。這種效應依賴DMI1門環結構上鈣離子的結合和選擇性位點以及DMI1和CNGC15的離子通道活性。

　　該工作通過對自發結瘤突變體spd1的研究，揭示了植物-微生物共生互作中鈣通道蛋白DMI1激活CNGC15的通道活性進而促進共生核鈣振蕩形成的分子機制。研究工作得到中科院青年科學家基礎研究項目、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院戰略性先到科技專項、比爾及梅琳達·蓋茨基金會的支持。英國劍橋大學的科研人員參與研究。