2024年4月26日，國際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心謝芳研究組題為“RinRK1 enhances NF receptors accumulation in nanodomain-like structures at root-hair tip”的研究論文。該研究揭示了百脈根類受體激酶RinRK1促進(jìn)結(jié)瘤因子（NF）受體在根毛質(zhì)膜納米域調(diào)控根瘤菌侵染的分子機(jī)理。

豆科植物和根瘤菌之間的共生固氮體系，被認(rèn)為是固氮效率最高且最有農(nóng)業(yè)應(yīng)用價(jià)值的生物固氮方式。這種共生體系不僅滿足了豆科植物自身對氮素的需求，還能為與豆科植物輪作、間套作的非豆科作物提供氮素營養(yǎng)。

形成具有固氮能力的根瘤依賴于發(fā)生在表皮細(xì)胞的根瘤菌侵染和皮層細(xì)胞的根瘤器官的形成。這兩個(gè)過程在空間上相對獨(dú)立，但在時(shí)間上需要高度協(xié)調(diào)。根瘤菌分泌的結(jié)瘤因子（Nodulation Factor，NF）是共生固氮中最重要的信號分子，它調(diào)控根瘤菌侵染和根瘤器官的形成。研究組前期研究發(fā)現(xiàn)，NF信號是根瘤器官形成的充要條件（Liu et al.,2022;Luo et al.,2023）。在百脈根中，NF受體是LysM類受體激酶NFR1（Nod Factor Receptors 1）和NFR5，其胞內(nèi)激酶域足以激活根瘤器官的形成。NF受體胞外域?qū)Ω鼍秩局陵P(guān)重要，但NF受體的胞外域如何識別根瘤菌信號并調(diào)控侵染過程目前尚不清楚。質(zhì)膜納米域（Nanodomain）作為一個(gè)細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)平臺(tái)，受體類蛋白通常會(huì)在質(zhì)膜納米域中聚集，有助于細(xì)胞快速且特異地響應(yīng)不同的環(huán)境信號。研究組前期鑒定到一個(gè)LRR類受體激酶RinRK1（Rhizobial Infection Receptor-like Kinase 1），它受NF誘導(dǎo)表達(dá)，特異調(diào)控侵染線形成（Li et al.,2019）。然而，RinRK1調(diào)控侵染線形成的分子機(jī)理尚不清楚。

該研究發(fā)現(xiàn)RinRK1與NF受體（NFR1和NFR5）胞外結(jié)構(gòu)域相互作用。RinRK1定位于細(xì)胞質(zhì)膜中，并存在于質(zhì)膜DRM（Detergent Resistant Membrane）組分中。此外，根瘤菌分泌的NF信號可以促進(jìn)RinRK1在根毛頂端納米域聚集，并且這一過程依賴NF受體的存在。同時(shí)，NF信號促進(jìn)NFR1和NFR5在根毛頂端納米域聚集，這一過程依賴于RinRK1。通過雙分子熒光互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)揭示，RinRK1與NFR1/5互作在根毛質(zhì)膜，而根瘤菌可以增強(qiáng)RinRK1與NFRs在根毛頂端納米域的互作。這一發(fā)現(xiàn)表明根瘤菌分泌的NF信號可以促進(jìn)RinRK1與NFR1/5在根毛頂端納米域形成受體復(fù)合體。

Flotillin是納米域的標(biāo)記蛋白，我們發(fā)現(xiàn)百脈根中的Flot1受根瘤菌誘導(dǎo)，在根毛、根瘤原基以及成熟根瘤的維管束中表達(dá)。突變體研究顯示，Flot1缺失會(huì)導(dǎo)致根瘤菌侵染事件減少，表明Flot1對于侵染線的形成起著重要作用。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，NF信號促進(jìn)Flot1在根毛頂端聚集；且RinRK1和NFR1/5響應(yīng)NF信號在根毛頂端納米域的聚集依賴于Flot1。而且，Flot1能夠與NFR1/5和RinRK1的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域發(fā)生相互作用。RinRK1能夠促進(jìn)Flot1與NFR1/5的互作，而Flot1與NFR1/5響應(yīng)NF信號在根毛頂端聚集也需要RinRK1的參與。

此外，研究發(fā)現(xiàn)NFR1不僅具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性，還具有酪氨酸磷酸化活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，NFR1的絲氨酸/蘇氨酸和酪氨酸磷酸化活性對其響應(yīng)NF信號在根毛頂端聚集和共生結(jié)瘤中都起著關(guān)鍵作用。

綜上所述，該研究結(jié)果揭示了RinRK1如何通過胞外結(jié)構(gòu)域與NF受體互作，通過胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與納米域蛋白Flot1互作，以及NF信號如何促進(jìn)NFR1/5-RinRK1-Flot1復(fù)合體在根毛頂端納米域聚集。RinRK1和Flot1在質(zhì)膜特定信號平臺(tái)對NF受體復(fù)合體的組裝起著關(guān)鍵作用，從而促進(jìn)根瘤菌侵染過程。這對于研究質(zhì)膜上的受體復(fù)合體如何響應(yīng)根瘤菌信號進(jìn)而調(diào)控侵染線的形成具有重要的意義。

分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心謝芳研究組博士生周寧是該論文的第一作者，謝芳研究員是該論文的通訊作者。謝芳研究組副研究員李曉琳、研究助理劉靜、已畢業(yè)的博士生鄭志瓊和英國John Innes Centre的J. Allan Downie教授都參與了該項(xiàng)工作。該研究得到了中國科學(xué)院青年科學(xué)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、中國科學(xué)院重點(diǎn)研究項(xiàng)目、上海市學(xué)術(shù)/技術(shù)帶頭人計(jì)劃和上海市自然科學(xué)基金的支持。

侵染特異納米域的組裝模型