生物固氮是植物最重要的进化事件之一，一直以来其进化背后的遗传基础都是科学家们研究的热点。能够进行根瘤共生固氮（root nodule symbiosis, RNS）的植物都分布在固氮分支（nitrogen fixing nodulation clade，NFNC）内，但固氮分支内固氮植物和非固氮植物均有分布，因此关于根瘤共生固氮的进化机制长期以来备受争议。目前关于根瘤共生固氮起源和进化存在三种假说：一种假说认为根瘤共生固氮是一次起源，即1995年Soltis等提出的“The putative predisposition event”假说，即根瘤共生固氮所属分支的物种存在一个共同祖先，并且获得了一种能结瘤的倾向(predisposition)，这种易于结瘤倾向的获得是一次起源的(Soltis et al., 1995)。第二种是根瘤共生固氮多次起源假说，该假说认为结瘤能力在NFNC内经历了多次独立进化。对于根瘤菌豆科植物共生固氮，有研究认为大约在6千万年前，豆科在短时间内进行快速分化，并且结瘤特征在此期间经历了6-7次独立起源(Doyle, 2011)。第三种是多重独立丢失假说，Griesmann等人通过参与共生固氮的NIN和RPG等在NFNC内多数不结瘤的物种中丢失的现象，证明多重独立丢失的假说(Griesmann et al., 2018; van Velzen et al., 2018)。根瘤共生固氮的进化研究已经取得了系列进展，但是作为农业系统中最重要的生物固氮方式，豆科植物根瘤共生固氮，其进化过程中关键的遗传创新基础尚无明确研究。

 

    近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室田志喜团队、崖州湾国家实验室李家洋院士团队、中国科学院分子植物科学卓越创新中心谢芳团队、康奈尔大学Jeff J. Doyle团队通过对16个豆科物种和32个非豆科物种进行谱系基因组学分析，构建了48个物种的同源基因簇，发现豆科植物根瘤共生固氮进化过程中存在基因获得、基因丢失和保守基因的利用。豆科获得基因是通过基因复制产生的，在黄酮类相关合成途径上富集。其中豆科获得的CHI重复基因经历了显著的结构变异和RNS功能变异。CHI1B而不是其重复基因CHI1A可以增强豆科结瘤（图1）。以上研究结果说明黄酮类相关合成途径基因复制和新功能化在豆科植物根瘤共生固氮进化中起到重要作用。该研究以题为“Duplication and sub-functionalization of flavonoid biosynthesis genes plays important role in Leguminosae root nodule symbiosis evolution”于2024年8月在植物学著名期刊Journal of Integrative Plant Biology上在线发表（DOI:10.1111/jipb.13743）。

 

图1：豆科获得的CHI1重复基因在豆科植物根瘤共生固氮中功能分化

 

    更有意思的是，研究人员发现Lateral suppressor (Ls)在非豆科物种中都有同源基因但在豆科物种中都没有同源基因，是豆科丢失的同源基因簇。将来自于番茄的Ls基因，来自于水稻的Ls的同源基因MONOCULM 1 (MOC1)和Os7分别在大豆(Glycine max)和蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)中表达导致其几乎完全丧失结瘤能力（图2）。进一步的研究发现，Ls、MOC1和Os7可以和NSP2 (NODULATION SIGNALING PATHWAY 2)和CYCLOPS互作，降低NSP2/NSP1和CCaMK/CYCLOPS复合体对NIN (NODULE INCEPTION)基因的转录激活作用，抑制NIN的表达进而抑制豆科植物结瘤（图2）。以上研究结果表明，Ls的丢失是豆科植物根瘤共生固氮必须的。此项研究成果以题为“Loss of Lateral suppressor gene is associated with evolution of root nodule symbiosis in Leguminosae”近日在国际著名期刊Genome Biology上在线发表(DOI:10.1186/s13059-024-03393-6)。

 

图2：豆科丢失基因Ls抑制豆科结瘤

 

    另外，研究过程中还发现一种植物保守的组织蛋白酶H (cathepsin H, CTSH)蛋白可以和Ls、MOC1和Os7互作，其自身也可以影响豆科植物结瘤（图2）。植物保守基因中大约一半是豆科植物响应根瘤菌的差异表达基因，这暗示植物保守的同源基因簇可以作为通过反向遗传学研究RNS的候选基因。

    综合以上研究成果，研究人员认为豆科植物对根瘤菌共生固氮的适应性进化需要植物保守的基因、豆科获得基因，同时还要丢失豆科丢失基因，豆科植物根瘤菌共生固氮的建立是上述基因共同作用的结果。

    基因复制产生的豆科获得基因在豆科植物根瘤共生固氮进化过程中发生分化的研究中，中国科学院遗传发育所博士后刘腾飞（现入职中国农业科学院生物技术研究所）、中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士后刘海月、中国农业科学院深圳农业基因组研究所科研助理冼文飞、中国科学院遗传发育所博士毕业生刘智（现入职河北省农林科学院粮油作物研究所）为论文共同第一作者。豆科植物根瘤共生固氮进化过程中丢失Ls的研究中，中国科学院遗传发育所博士后刘腾飞（现入职中国农业科学院生物技术研究所）、博士毕业生刘智（现入职河北省农林科学院粮油作物研究所）、博士后范敬伟、博士生袁亚钦和中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士后刘海月为论文共同第一作者。中国科学院遗传发育所/崖州湾国家实验室田志喜研究员、崖州湾国家实验室李家洋院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心谢芳研究员和康奈尔大学Jeff J. Doyle教授为两篇论文共同通讯作者。中国科学院遗传发育所向帅盈、杨霞（现入职崖州湾国家实验室）、刘羽诚、刘书林、张敏和申妍婷参与了研究。中国科学院植物研究所焦远年研究员和中国农业科学院深圳农业基因组研究所程时锋研究员为论文提供了重要指导。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导、中国科学院青年基础研究和科学探索奖等项目的资助。