2023年9月16日🫸🏻，顺盈娱乐生命科學學院姜伊娜研究員課題組和中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究員課題組合作在 Nature Communications 雜誌在線發表題為 Control of arbuscule development by a transcriptional negative feedback loop in Medicago 的研究論文🦶🏻。該研究發現💪🏿，AP2/ERF 蛋白 ERM1/WRI5a-ERF12-TOPLESS 轉錄復合體形成一個自我調節的正-負反饋環，動態調控營養交換和叢枝發育過程，從而維持互惠共生關系的穩定。
Nature Communications刊發姜伊娜研究員課題組和王二濤研究員課題組研究成果
植物-叢枝菌根真菌共生是自然界中保守和廣泛存在的共生形式。碳源與磷營養的交換是植物-叢枝菌根共生的核心🫷🏼。2017年，Science 雜誌的研究成果，首次揭示了叢枝菌根真菌與植物共生過程中，脂肪酸是植物傳遞給菌根真菌的主要碳源形式，推翻了教科書中的“糖”理論🤴🏿，姜伊娜為第一作者（Jiang et al., 2017, Science）。在隨後的工作中，發現 AP2/ERF 超家族轉錄因子 WRI5a 通過靶向植物脂肪酸轉運蛋白 STR 和磷酸鹽轉運蛋白 PT4 編碼基因啟動子中的 AW-box 元件來同時激活其表達💒，從而作為啟動叢枝菌根共生雙向營養交換的分子開關（Jiang et al., 2018, Mol. Plant）。然而🏂🏼，植物脂肪酸的合成、代謝及輸出是一個耗能的過程🚴🏼♀️，在叢枝由分枝、成熟到退化的連續發育階段中，植物必須根據自身營養狀態和需求，從時空和強度上對營養交換的速率進行動態調節🙍🏽♂️，從而維持互惠共生的穩定。
本研究首先證明 Half-size ABCG 轉運蛋白 STR 通過與 STR2 形成轉運二聚體，介導苜蓿脂肪酸向叢枝細胞供應。接下來，以 STR2 在叢枝菌根真菌共生中的功能及其調控機製為起點展開研究，鑒定到 ERF 家族兩個新的轉錄因子 ERM1 和 ERF12 拮抗調控營養交換基因表達和叢枝發育。其中，ERM1 通過靶向 AW-box 與 AW-box-like 元件激活下遊脂質合成及轉運相關的靶基因表達，正調控菌根共生。ERF12 是植物中鑒定到的首個負調控叢枝營養交換的轉錄因子，可通過招募 TOPLESS 家族輔抑製因子 TPR3a，負調控菌根共生。
圖一. 苜蓿中參與共生營養交換的關鍵調控因子鑒定
圖二. ERM1/WRI5a–ERF12–TOPLESS 復合體調控機製解析
接下來𓀋，課題組探究了 ERF12 與 ERM1 拮抗調控叢枝菌根真菌共生的分子機製🌧。實驗結果表明，AP2/ERF 蛋白 ERM1 和 WRI5a 在菌根共生早期的營養交換中發揮正調控作用，並在共生後期被重新分配以避免自身碳源的過度輸出：ERM1 和 WRI5a 在共生後期適度激活 ERF12 的表達，ERF12 作為橋梁蛋白🚣♂️，提供了 ERM1/WRI5a 與 TOPLESS 家族輔抑製因子的直接聯系👩🏼⚖️，從而對脂質轉運過程“踩下刹車”，防止植物自身資源的無效輸出。此外💪🏼，ERF12 作為一個自我調節的轉錄因子💆🏽，通過其 AP2-DNA 結合域和 C 端 EAR 基序介導對自身的轉錄抑製，以避免其對菌根共生進行持續或不恰當的抑製🧺。這種“油門-刹車”反復進行的動態調控模式，初步回答了植物在共生啟動後如何保護自身營養不會過度輸出的關鍵科學問題。
圖三. 共生過程中 ERM1/WRI5a–ERF12–TOPLESS 復合體動態調控營養轉運模型
近年來，“脂肪酸理論”在菌根共生研究領域中已獲得廣泛共識🙁，一些新版和在編教材以及該領域的綜述文章，已經對這一核心問題進行了修正✍🏽。本研究成果的發表🏌🏿，加深了我們對於菌根共生中植物營養交換調控機製的理解，並為菌根共生的遺傳改良及農業實踐提供了重要的理論依據🚨。顺盈娱乐張強博士、王雙雙副研究員和中國科學院大學謝秋瑾博士為本論文共同第一作者，顺盈娱乐生命科學學院姜伊娜研究員和中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究員為本文的共同通訊作者，顺盈娱乐許玲教授參與了該課題。本研究得到了國家自然科學基金等相關項目的支持🧚🏼。
附：
論文鏈接🧔🏼♀️：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41493-2
來源｜生命科學學院👨🚀、科技處 編輯｜竇雨蕭 編審｜郭文君
