The Plant Cell | 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)徐曙彤教授課題組聯(lián)合河南大學(xué)王學(xué)路教授團(tuán)隊(duì)揭示豆科植物結(jié)瘤調(diào)控的新機(jī)制

近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、農(nóng)業(yè)微生物資源發(fā)掘與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐曙彤教授課題組聯(lián)合河南大學(xué)王學(xué)路教授團(tuán)隊(duì)在The Plant Cell期刊發(fā)表題為"Structural basis of NSP1-NSP2 heterodimerization and its regulatory mechanism in legume nodulation"的研究論文。該研究解析了豆科植物共生結(jié)瘤核心轉(zhuǎn)錄復(fù)合物NSP1-NSP2的晶體結(jié)構(gòu)，揭示其異源二聚化促進(jìn)DNA結(jié)合、進(jìn)而調(diào)控根瘤形成的分子機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)NSP1中特有的HCCC型鋅指結(jié)構(gòu)通過影響DNA結(jié)合活性參與結(jié)瘤調(diào)控。

豆科植物能夠與根瘤菌建立共生關(guān)系，在根部形成具有固氮能力的根瘤，將大氣氮轉(zhuǎn)化為植物可利用的氮素營養(yǎng)。該過程不僅支撐豆科作物生長，也有助于減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化學(xué)氮肥的依賴。根瘤共生始于植物對根瘤菌信號的識別，隨后激活早期結(jié)瘤基因表達(dá)，協(xié)調(diào)根瘤菌侵染和根瘤器官形成。已有研究表明，GRAS家族轉(zhuǎn)錄因子NSP1和NSP2在這一過程中發(fā)揮核心作用，但二者如何直接組裝成復(fù)合物，并進(jìn)一步影響DNA結(jié)合和結(jié)瘤形成，其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)長期不清楚。

研究團(tuán)隊(duì)首先在體外重組表達(dá)并純化來自蒺藜苜蓿和大豆的NSP1-NSP2復(fù)合物，證明NSP1和NSP2能夠形成穩(wěn)定復(fù)合物，且相互作用主要由二者C端GRAS結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)解析了2.4埃分辨率的NSP1-NSP2復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析顯示，NSP1和NSP2以1:1比例形成異源二聚體，主要通過LHRI基序形成頭對頭的相互作用界面；突變分析進(jìn)一步表明，該界面中的關(guān)鍵保守位點(diǎn)對NSP1-NSP2互作至關(guān)重要，相關(guān)結(jié)構(gòu)特征在豆科植物中具有功能保守性。

NSP1-NSP2復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)

NSP1-NSP2異源二聚化如何影響結(jié)瘤信號轉(zhuǎn)導(dǎo)？研究團(tuán)隊(duì)利用ENOD11啟動子片段開展電泳遷移率實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，NSP1單獨(dú)存在時(shí)只能較弱地結(jié)合DNA；NSP2自身雖未檢測到DNA結(jié)合能力，卻可以顯著增強(qiáng)NSP1對ENOD11啟動子的結(jié)合。當(dāng)NSP1界面突變、難以與NSP2形成復(fù)合物時(shí)，這種增強(qiáng)作用隨之減弱。進(jìn)一步的大豆遺傳互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)表明，破壞NSP1-NSP2互作會使結(jié)瘤缺陷難以恢復(fù)，說明二者的直接相互作用是根瘤形成所必需的功能環(huán)節(jié)。

除異源二聚化界面外，研究團(tuán)隊(duì)還在NSP1中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)此前未被認(rèn)識到的HCCC型鋅指結(jié)構(gòu)。該鋅指位于NSP1的PFYRE基序附近，其關(guān)鍵配位殘基在多種豆科植物NSP1同源蛋白中嚴(yán)格保守。功能實(shí)驗(yàn)表明，該鋅指不影響NSP1-NSP2復(fù)合物的整體穩(wěn)定性，卻會影響復(fù)合物的DNA結(jié)合能力；在大豆中，鋅指關(guān)鍵位點(diǎn)突變不會明顯影響GmNSP1a的轉(zhuǎn)錄水平或蛋白積累，卻顯著降低根瘤形成。這些結(jié)果說明，NSP1中的HCCC型鋅指通過影響DNA結(jié)合活性參與結(jié)瘤調(diào)控。

NSP1中特有HCCC型鋅指影響DNA結(jié)合和結(jié)瘤形成

該研究闡明了豆科結(jié)瘤核心轉(zhuǎn)錄因子NSP1-NSP2復(fù)合物協(xié)同調(diào)控根瘤共生的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，揭示了LHRI基序介導(dǎo)的異源二聚化增強(qiáng)NSP1 DNA結(jié)合能力的機(jī)制，并提示鋅離子可能通過影響關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合活性參與共生固氮調(diào)控，為進(jìn)一步解析金屬元素信號與豆科植物-根瘤菌互作之間的關(guān)系提供了新的線索。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院徐曙彤教授和河南大學(xué)王學(xué)路教授為論文共同通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生萬里豪、薛重玉和河南大學(xué)青年教師何春梅為論文共同第一作者；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)已畢業(yè)碩士研究生陳凰綺、毛霞坤和河南大學(xué)中州實(shí)驗(yàn)室助理實(shí)驗(yàn)師彭亞齊為共同作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)練興明教授參與研究。