硝酸鹽抑制根瘤形成機制研究中取得進展

近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心植物分子遺傳國家重點實驗室研究員謝芳團隊與法國巴黎薩克雷大學/巴黎薩克雷植物科學研究所教授FlorianFrugier團隊合作以NLP1directly controls expression of the peptide-encoding CEP1 gene in response to nitrate為題在NewPhytologist上發表研究論文，揭示了蒺藜苜蓿（Medicagotruncatula）中MtNLP1轉錄因數通過與小肽編碼基因MtCEP1啟動子上的halfNRE（hNRE）元件結合，從而介導硝酸鹽抑制其表達的分子機制。

氮（N）是植物所必需的營養元素之一。硝態氮不僅可以被植物直接吸收利用還可以作為重要的信號分子調控植物對氮素的回應、吸收、代謝相關基因的表達，從而影響植物的生長和發育。豆科植物可以通過與根瘤菌共生互作來獲得生長所需的氮，但共生固氮是一個耗費植物能量的過程。當土壤中存在高濃度的氮素時，氮作為信號分子會影響共生固氮基因的功能從而抑制共生固氮過程。此前研究表明，轉錄因數MtNLP1是硝態氮抑制結瘤的核心組分，通過調控局部和系統性途徑抑制根瘤的形成。

CEPs（C-terminally Encoded Peptides）編碼一類小肽，在植物根部合成後被轉運到地上部，通過與其受體結合，系統性地調控對氮素的吸收。CEPs基因的表達水準依賴於土壤中的氮素濃度，在低氮的條件下被誘導表達，而在高氮的條件下被抑制。然而其表達調控機制目前還不清楚。根據擬南芥中的研究報導，AtNLP7除了具有啟動能力，還具有抑制功能。因此研究人員猜測蒺藜苜蓿MtNLP1可能參與了硝酸鹽抑制CEPs基因的表達。

該研究將合成的MtCEP1小肽分別添加於野生型和nlp1突變體中，分析MtCEP1小肽對結瘤的促進作用是否會受到影響。結果表明，MtCEP1小肽促進結瘤不依賴於MtNLP1，表明MtCEP1可能作用於MtNLP1下游。進一步通過轉錄水準分析證實，硝酸鹽抑制CEP1基因的表達依賴於MtNLP1。研究人員利用地塞米松（DEX）誘導表達系統實驗發現，MtNLP1能夠抑制MtCEP1的表達；利用雙螢光素酶報告基因檢測系統的結果也表明MtNLP1可以抑制MtCEP1啟動子對硝酸鹽回應的活性。通過截短實驗以及序列比對發現，CEP基因啟動子的NRE（NitrateResponse Element）元件要短於受MtNLP1啟動基因的NRE，因而命名該元件為hNRE（half NRE）。進一步研究發現，CEP1基因啟動子上的hNRE是NLP1結合所必需的，而且hNRE在擬南芥中的CEP基因啟動子上也是保守存在的，暗示著這種調控不僅僅存在於豆科植物中。

該研究揭示了MtNLP1不僅可以作為轉錄啟動因數啟動MtCLE35基因的表達從而介導硝酸鹽抑制結瘤，也可以作為抑制因數，通過與CEP1基因的啟動子結合來抑制其表達，從而具備了雙功能轉錄活性。同時，該研究也揭示了氮抑制CEP基因表達的機制。