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SCLS | 孔照勝/張一婧合作團隊發現大豆和根瘤菌共生固氮過程中進行長距離轉運的RNA

2020-04-03  土豆土匪

豆科植物與根瘤菌形成互惠共生關系,根瘤菌能夠直接將大氣中分子態氮轉化成氨,供宿主植物吸收利用。在此過程中,植物向根瘤菌提供生存必需的能量和碳源,而根瘤菌則將固定的氮素供給植物作為合成氨基酸和蛋白質的氮源。因此,有效利用這一系統對農業的可持續發展和生物圈中的氮素循環至關重要。豆科植物與根瘤菌互作過程中形成獨特的共生器官—根瘤,共生結瘤的過程由眾多基因的表達及其調控 (共生相關基因、植物激素、細胞骨架等)、營養物質的交換和系統性信號轉導等生物學過程共同參與,形成復雜的調控網絡來精確調控根瘤的形成。有趣的是,豆科植物根瘤菌共生關系的形成離不開宿主植物的根部和地上部之間的信號交流。但是,根瘤菌侵染引起的植物根部與地上部分的RNA長距離轉運機制尚不清楚。

近日,中國科學院微生物研究所孔照勝研究員課題組和中國科學院上海植物生理生態研究所張一婧研究員課題組合作在SCIENCE CHINA Life Sciences雜志上發表了題為Rhizobial infection triggers systemic transport of endogenous RNAs between shoots and roots in soybean 的研究論文,發現了大豆和根瘤菌共生固氮過程中進行長距離轉運的RNA分子

該研究發現大豆的兩個栽培品種Peking和Williams在全基因組范圍內存在高頻率的單核苷酸多態性 (Single Nucleotide Polymorphism, SNP)。進而通過對這兩個大豆品種進行異源嫁接,根據SNP的差異確定了嫁接植株中RNA的來源和移動性。該研究共鑒定了4552個能產生可移動RNA的基因。深入分析發現,在根瘤形成的早期能產生大量的可移動的RNA,并且這些RNA的豐度相對較低,表明這種在大豆植株之間的RNA轉移是特異的,與RNA豐度關。值得注意的是,在結瘤早期從地上部分轉移到根部的RNA參與了許多與結瘤相關的生理過程。此外,發現許多已知的共生相關基因受到根瘤菌的侵染后可以在地上部分和根部之間進行長距離的轉移。

圖1 具有高頻單核苷酸多態性 (SNP) 的兩個大豆品種間的異源嫁接系統。(A) 實驗流程和大豆嫁接的示意圖;(B) 大豆Peking品種和Williams品種之間的嫁接并用根瘤菌USDA110侵染,標尺等于2厘米;(C) Peking (中國,紅點) 和Williams (美國,黑點) 品種的原始收藏地;(D) Peking品種和Williams品種之間差異的SNP信息。

該研究首次發現大豆和根瘤菌共生固氮過程中進行長距離轉運的RNA分子,這項發現有助于深入理解豆科植物與根瘤菌共生固氮過程中的系統性調控機制,也為更好地研究根瘤發育和生物固氮提供了新的理論依據。

圖2  根瘤菌侵染引發大量的大豆內源RNA在地上部和根部之間進行轉運。維恩圖和大豆相互嫁接的示意圖詳細說明了在根瘤菌接侵染的不同時期在Peking和Williams之間移動的RNA數量;(A) 根瘤菌未侵染時只有很小一部分 (108個) RNA進行移動;(B) 根瘤菌侵染3天時引起大量的 (4524個) RNA進行長距離轉移;(C) 侵染7天時只有67個RNA進行轉移。

孔照勝組博士生張臣和張一婧組博士生齊美芳為共同第一作者,孔照勝研究員和張一婧研究員為通訊作者。該研究受到中國科學院重點研究計劃和中國科學院戰略性先導研究計劃A的資助。

原文鏈接:

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

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