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豆科植物与根瘤菌形成的共生固氮体系是自然界最高效的生物固氮方式之一，每年为生态系统贡献大量可利用氮。在这一过程中，根瘤菌通过侵染线进入植物细胞，被宿主来源的共生体膜包裹后形成可固氮的类菌体，这一功能单元被称为共生体。经典模型认为，植物为类菌体提供二羧酸盐作为碳源，而类菌体则将固定的氮以氨态氮形式输送给植物。但越来越多证据表明，氨基酸在豆科植物与根瘤菌之间的跨界交换同样也是实现高效固氮的重要环节。
近日，中国科学院微生物研究所孔照胜团队在Plant Communications发表了题为“Symbiosome membrane-localized cationic amino acid transporters support symbiotic nitrogen fixation inMedicago truncatula”的研究论文，首次发现共生体膜氨基酸转运蛋白参与维持高效共生固氮，为理解豆科植物与根瘤菌共生调控机制提供了关键证据。 苜蓿与根瘤菌的共生固氮体系是研究植物-微生物互作的经典模型。其氨基酸交换机制是这一共生关系的核心，主要指植物为根瘤菌提供碳源（以氨基酸形式），而根瘤菌则将固定的氮（以特定氨基酸或酰脲形式）供给植物。这一生理过程揭示了一种高效且精密的生物间互作模式，展示了真核生物与原核生物之间如何通过代谢分工和交换，形成一个高度整合的“超生物”系统。这种互惠共生建立在精确的信号对话、相互调控和资源交换基础上，是研究复杂生物互作的典范。 图：MtCAT1c亚细胞定位及突变体表型 本项研究在蒺藜苜蓿共生体膜上鉴定出三个阳离子氨基酸转运蛋白（CAT, cationic amino acid transporter）：MtCAT1a、MtCAT1b和MtCAT1c。其中MtCAT1b和MtCAT1c在根瘤侵染细胞中高表达，并定位于共生体膜，而MtCAT1a在共生过程中功能较弱。遗传学分析表明，MtCAT1b和MtCAT1c可能协同调控类菌体的氨基酸代谢稳态。透射电镜观察发现，突变体中类菌体出现异常积累的PHB（Poly-β-hydroxybutyrate），表明类菌体代谢异常。转录组分析显示，突变体中的类菌体碳氮代谢途径受损， ATP合成能力下降，最终导致突变体根瘤固氮酶活性降低。进一步实验证实，MtCAT1b和MtCAT1c能够相互作用，推测二者可能协同发挥功能。酵母转运实验显示，MtCAT1b和MtCAT1c对精氨酸等共生关键氨基酸具备转运能力。 图：共生体膜定位的MtCAT1b和MtCAT1c维持高效共生固氮关系 这些发现首次揭示了氨基酸转运蛋白在共生体膜中的关键作用，为维持高效共生固氮体系提供了重要分子基础，其生物学意义远超一个生理过程的描述。它是理解自然界中最成功的共生关系之一的钥匙，连接着基础生物学（代谢、信号、进化）和重大应用前景（绿色农业、生物工程）。这项研究从根本上解释了植物和细菌如何通过“贸易”实现双赢，并为人类模仿自然智慧以解决粮食安全和环境问题提供了至关重要的启示,开拓了氮经济策略的新思路，也为更全面的理解共生系统的稳定与调控提供了理论基础。 在本项研究中，已经服役了10年有余的Implen Nanophotometer® P330老型号超微量分光光度计用于提取的RNA的浓度和纯度分析，确保质量合格的样本用于qRT-PCR。以快速、可靠著称的Nanophotometer®，是各种类型核酸样本质控的理想工具，为包括PCR和测序在内的后续关键实验保驾护航，提高数据的可靠性。 新的科学发现，总有Implen的身影，Nanophotometer®是科学家的好伙伴。
