李易玲,陳平,付智丹,羅凱,杜青,高超,任俊波,楊雪麗,劉姍姍,楊立達(dá),袁曉婷,彭新月,雍太文,楊文鈺

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/四川省作物帶狀復(fù)合種植工程技術(shù)研究中心 成都 611130)

工業(yè)固氮生產(chǎn)的氮肥極大地促進(jìn)了作物增產(chǎn),但其昂貴的工業(yè)成本和潛在的環(huán)境污染代價(jià)限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性。因此,重視豆科(Fabaceae)植物的生物固氮,充分發(fā)揮其固氮潛力對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。豆科作物是世界上最重要的油料和飼料來源之一,以大豆(Glycine max)為例,大豆產(chǎn)量約占全球豆類作物的68%左右,每年固定16 Tg 氮,占所有豆科植物固氮總量的77%[1]。豆科植物與根瘤菌共生,在根瘤菌固氮酶的作用下將分子態(tài)的N2固定為植物可利用的氨,固氮過程極其耗能,需要植株為根瘤菌持續(xù)提供能量。豆科植物結(jié)瘤過程起始于根系信號(hào)物質(zhì)(類黃酮),被根瘤菌特異性識(shí)別后產(chǎn)生結(jié)瘤因子(nod factors,NFs),NFs 被植物感知后產(chǎn)生一系列的形態(tài)和生理變化,根瘤菌侵染后形成侵染線進(jìn)入根系內(nèi)皮層細(xì)胞,形成結(jié)瘤原基并發(fā)育成根瘤。根瘤細(xì)胞內(nèi),糖代謝產(chǎn)生的蘋果酸等能源物質(zhì)交換根瘤菌固定的氮,維持共生關(guān)系。根瘤固氮所需的能源來自植株地上部分光合產(chǎn)物,光環(huán)境調(diào)控了光合產(chǎn)物的合成及根瘤的形成發(fā)育[2]。在光合午休狀態(tài)下,根瘤可與其他庫(kù)器官競(jìng)爭(zhēng)光合產(chǎn)物,誘導(dǎo)地上部分碳水化合物向根瘤分配[3]。因此,豆科植株為滿足養(yǎng)分需求和協(xié)調(diào)內(nèi)部能量供應(yīng),通過相應(yīng)的控制網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)根瘤形成發(fā)育。本文綜述了光通過植株的光形態(tài)建成和光合作用控制根瘤形成發(fā)育的研究進(jìn)展,對(duì)提高豆科植物結(jié)瘤固氮能力進(jìn)行了展望,以期為豆科植物間套作種植等相關(guān)研究提供參考。

1 根瘤形成、發(fā)育過程及其影響因素

1.1 根瘤的形成發(fā)育過程

根瘤菌和宿主植物需要先交換一系列復(fù)雜的信號(hào),從而決定是否建立共生關(guān)系[4]。當(dāng)土壤缺乏氮素時(shí),豆科植物根系會(huì)分泌類黃酮與根瘤菌中LysR 家族轉(zhuǎn)錄因子NodD 結(jié)合促進(jìn)Nod基因轉(zhuǎn)錄形成結(jié)瘤因子(NFs),即脂質(zhì)幾丁寡糖(LCO)。植物的賴氨酸基序異源雙鏈(LysM)受體(NFR)檢測(cè)特異性的LCOs,來放大表皮細(xì)胞的NFs,啟動(dòng)共生信號(hào)途徑,并啟動(dòng)EPR3 受體識(shí)別細(xì)菌的胞外多糖(EPS),以對(duì)該細(xì)菌做出容納與否的反應(yīng)[5-9]。共生信號(hào)途徑中SYMRK 結(jié)合NFR 形成蛋白質(zhì)復(fù)合物通過核膜上的關(guān)鍵組分如陽離子通道CASTOR、POLLUX/DMI1、環(huán)核苷酸門控通道CNGC15 以及核孔蛋白NENA、NUP85 和NUP133,誘發(fā)細(xì)胞核的Ca2+振蕩。依賴Ca2+和鈣調(diào)素的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(CCaMK)結(jié)合并磷酸化CYCLOPS,促進(jìn)結(jié)瘤起始啟動(dòng)子NIN和ERN1 的表達(dá),最后啟動(dòng)早期結(jié)瘤基因ENOD的表達(dá)程序,以形成侵染線和根瘤原基[9-12]。侵染線起始于根毛表皮,后穿越外皮層、中皮層細(xì)胞的胞質(zhì)橋向下延展至內(nèi)皮層細(xì)胞增殖后的根瘤原基。侵染線在根瘤原基處釋放細(xì)菌,植物細(xì)胞內(nèi)吞細(xì)菌并形成一層包裹細(xì)菌的外周膜(PBM),膜內(nèi)就是類桿菌的生存空間,植物與根瘤菌通過PBM 進(jìn)行物質(zhì)交換以建立共生關(guān)系[13-14]。

1.2 根瘤形成發(fā)育的影響因素

光、CO2濃度、溫度、水分、氮的可用性均可影響根瘤的形成發(fā)育。光對(duì)結(jié)瘤有積極作用,光強(qiáng)、光質(zhì)以光信號(hào)被植株的光敏色素感知,再把信號(hào)轉(zhuǎn)移到可移動(dòng)的蛋白運(yùn)輸?shù)礁霾糠?通過整合根瘤菌誘導(dǎo)的結(jié)瘤信號(hào)通路調(diào)節(jié)根瘤形成,同時(shí)光合作用產(chǎn)生的碳水化合物為根瘤發(fā)育輸送能量[15]。CO2濃度、溫度、水分、鹽分通過影響相關(guān)代謝酶的活性、光合產(chǎn)物輸出,根系活力、O2滲透等影響根瘤生長(zhǎng)發(fā)育。氮素對(duì)結(jié)瘤有負(fù)調(diào)節(jié)效果,通過類黃酮代謝、活性氧積累、植物激素、CEL 小肽等多種途徑抑制結(jié)瘤[16]。

2 光信號(hào)調(diào)控根瘤形成

2.1 光信號(hào)介導(dǎo)根瘤菌附著

光影響根瘤菌的生長(zhǎng)發(fā)育及其行為,根瘤菌存在感光蛋白感知光強(qiáng)和波長(zhǎng)進(jìn)而轉(zhuǎn)化為細(xì)胞信號(hào)。如:細(xì)菌光敏色素(bacterio phytochrome)、光氧電壓蛋白(light,oxygen,and voltage-domain proteins,LOV)、核黃素藍(lán)光受體(BLUF)和光敏黃蛋白(PYP)[17]。光氧電壓蛋白(LOV)是植物、細(xì)菌和真菌中光感受器的保守部分,可結(jié)合黃酮作為色團(tuán)并感受藍(lán)光。豌豆根瘤菌RL3841 (Rhizobium leguminosarumbv.viciae3841)的基因組編碼一種N 末端LOV 結(jié)構(gòu)域的傳感器組氨酸激酶(R-LOV-HK)。R-LOV-HK 在藍(lán)光和UV-A 區(qū)有典型的寬LOV 域吸收光譜,并顯示縮短的光周期,調(diào)節(jié)著根瘤菌在光照下的生物膜、胞外多糖及其鞭毛的合成,影響根瘤菌的附著和運(yùn)動(dòng)能力,進(jìn)而影響菌落在植物根際的定殖。試驗(yàn)證明R.leguminosarumbv.viciae3841 接種前的光照培養(yǎng)增加了單株豌豆根瘤和細(xì)菌侵染數(shù)量,光作為環(huán)境因子被R-LOV-HK 感應(yīng),間接控制R.leguminosarumbv.viciae3841 的適應(yīng)性反應(yīng)和共生效率[18]。光質(zhì)對(duì)根瘤菌生長(zhǎng)的影響更加明顯,藍(lán)光下百脈根根瘤菌(Mesorhizobium loti)大量減少,對(duì)其LOV-HK/PAS 和光解酶相關(guān)基因進(jìn)行信號(hào)標(biāo)簽誘變,根瘤的藍(lán)光生長(zhǎng)抑制被部分恢復(fù)。此外,當(dāng)用STM 菌株接種Ljcry1A和Ljcry2B(隱花色素表達(dá)缺陷)根沉默植株時(shí),結(jié)瘤顯著增強(qiáng)[19]。

2.2 光信號(hào)介導(dǎo)根瘤形成

2.2.1 藍(lán)光誘導(dǎo)從葉片到根的轉(zhuǎn)錄因子啟動(dòng)根瘤形成

結(jié)瘤受光質(zhì)影響,受光敏色素系統(tǒng)控制,根和葉片都存在光受體。大量研究表明藍(lán)光激活光感受器協(xié)同植物激素參與下胚軸的伸長(zhǎng),并調(diào)節(jié)根的形成,根和根瘤的形成因存在多種基因重疊[20-26]。最近的研究認(rèn)為,藍(lán)光是促進(jìn)根瘤形成的關(guān)鍵條件,敲除和過表達(dá)藍(lán)光受體(CRY1b)可分別抑制和促進(jìn)根瘤的形成[27]。ELONGATED HYPOCOTYL 5 (HY5)是光信號(hào)通路中起正向調(diào)控作用的轉(zhuǎn)錄因子,被光激活后表達(dá),參與光形態(tài)建成、光合相關(guān)基因的表達(dá),促進(jìn)葉綠素合成和積累,促進(jìn)葉片碳水化合物分配和根部硝酸鹽吸收。維持不同光環(huán)境下植株的碳氮平衡,促進(jìn)地上地下協(xié)同生長(zhǎng)。HY5 作為一種從葉片起源的長(zhǎng)距離運(yùn)輸信號(hào),可激活根部HY5[28-33]。研究表明HY5 存在4 個(gè)僅在大豆葉片中表達(dá)的同源基因:GmFT2a、GmFT5a、GmSTF3和GmSTF4,當(dāng)這些基因在葉片中表達(dá)時(shí),根部也同時(shí)檢測(cè)到了新表達(dá)的GmSTF3、GmFT2a 和GmFT5a 蛋白,對(duì)STF 或FT 轉(zhuǎn)錄因子敲除則抑制根瘤形成,過表達(dá)則促進(jìn)根瘤形成。任意敲除其中1 個(gè)基因,都會(huì)抑制根瘤產(chǎn)生,表明FT和STF基因存在協(xié)同調(diào)控關(guān)系。進(jìn)一步研究證明GmFT2a 和GmSTF3 從地上移動(dòng)到地下后,GmSTF3 被GmCCaMK 磷酸化后與GmFT2a 協(xié)同促進(jìn)根瘤基因的表達(dá),表明GmCCaMK-STF-FT 模塊共同調(diào)控根瘤的形成[27]。還有研究認(rèn)為藍(lán)光通過抑制根毛中的光敏色素(phytochrome)和隱花色素(cryptochrome)基因表達(dá)進(jìn)而抑制百脈根(Lotus japonicus)根瘤的產(chǎn)生[19]。Ji 等[30]也有類似發(fā)現(xiàn):GmCRY1s 介導(dǎo)藍(lán)光信號(hào),促進(jìn)了根中HY5 同源基因STF1和STF2的表達(dá),并與STF1和STF2相互作用以穩(wěn)定STF1/2的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性,STF1/2 直接抑制結(jié)瘤起始信號(hào)GmNINa。因此,不同時(shí)期和條件下,同一種蛋白可以產(chǎn)生相反的作用,在自養(yǎng)向異養(yǎng)過渡的時(shí)候,CRY1s更多作用于下胚軸伸長(zhǎng),而在光合作用啟動(dòng)后,CRY1s側(cè)重于根和根瘤的形成(圖1)。

2.2.2 紅光調(diào)控光誘導(dǎo)的植物激素促進(jìn)根瘤形成

眾所周知,植株通過光敏色素B (PhyB) 感知紅光與遠(yuǎn)紅光比率(R/FR),豆科植物結(jié)瘤也有PhyB 參與,并整合下游植物激素調(diào)節(jié)側(cè)根和根瘤形成[21,34]。Suzuki 等[35]認(rèn)為遠(yuǎn)紅光抑制Lotus japonicus結(jié)瘤。高R/FR 下,phyB 通過增加植物茉莉酸異亮氨酸(JAIle)濃度抑制庇蔭反應(yīng)并增強(qiáng)根瘤形成。相反,低R/FR 下,PhyB 失活,JA-Ile 濃度降低并抑制根瘤形成,啟動(dòng)避蔭反應(yīng)以節(jié)約能量。Nagata 等[36]也有類似發(fā)現(xiàn):高R/FR 下可顯著提高JA 響應(yīng)基因的表達(dá)水平,豆科和非豆科植物根系分泌更多的茉莉酸和獨(dú)角金內(nèi)酯,促進(jìn)了叢枝菌根(AM)共生。Van Gelderen等[37]認(rèn)為,依賴PhyB 的HY5 通過降低PIN-FORMED3和類AUX1-3 生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的質(zhì)膜豐度來促進(jìn)生長(zhǎng)素由上至下極性運(yùn)輸,最終促進(jìn)側(cè)根發(fā)育。最近的研究發(fā)現(xiàn),GA 信號(hào)通路的負(fù)調(diào)節(jié)因子DELLA 蛋白,可促進(jìn)CCaMK-IPD3/CYCLOPS 復(fù)合物的形成,促進(jìn)IPD3 磷酸化,而且能與NSP2-NSP1 復(fù)合物相互作用,增強(qiáng)NFs 誘導(dǎo)基因的表達(dá)以促進(jìn)結(jié)瘤。而低R/FR 無phyB 活性,GA 合成增加,DELLA 表達(dá)下調(diào),最終降低了根瘤數(shù)量[38-39](圖1)。

圖1 光信號(hào)和光合產(chǎn)物調(diào)控根瘤形成發(fā)育機(jī)制Fig.1 Mechanism of root nodule formation and development regulated by light signal and photosynthetic products

3 光合產(chǎn)物調(diào)控根瘤生長(zhǎng)發(fā)育

3.1 光合產(chǎn)物合成根系分泌物以招募根瘤菌

3.1.1 光合產(chǎn)物誘導(dǎo)根瘤菌侵染

光合作用產(chǎn)生的次生代謝物類黃酮可分泌到根際,引誘根瘤菌侵染[41]。研究發(fā)現(xiàn),大豆?fàn)I養(yǎng)生長(zhǎng)期根系的類黃酮主要成分是大豆苷元和染料木素[42],大豆苷元特異性誘導(dǎo)Brady.japonicum nod基因的表達(dá)[43],缺氮和結(jié)瘤共生使大豆苷元和染料木素分泌量增加約10 倍,類黃酮的分泌量和根瘤干重顯著正相關(guān)[44]。光合產(chǎn)物為類黃酮的生物合成提供了碳骨架、能量、還原劑。類黃酮的生物合成前后依次有糖酵解、磷酸戊糖、莽草酸、苯丙氨酸、類黃酮代謝途徑的參與。糖酵解和磷酸戊糖途徑分別提供前體磷酸烯醇式丙酮酸和赤蘚糖-4-磷酸,為莽草酸途徑合成莽草酸。莽草酸途徑合成苯丙氨酸,苯丙氨酸又是類黃酮途徑的前體。類黃酮的根系分泌過程有ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的參與,需要ATP 提供能量[45-46]。同位素示蹤等研究發(fā)現(xiàn),植物存在光合產(chǎn)物的“溢出效應(yīng)”[47],類黃酮的分泌是營(yíng)養(yǎng)脅迫的體現(xiàn),特別在缺氮條件下,光合產(chǎn)物消耗大于同化,可溶性蛋白降低;植株可溶性糖、C/N、苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性、苯丙氨酸、總黃酮、總酚含量增加,此時(shí)光合產(chǎn)物利用途徑更多被導(dǎo)入黃酮等次級(jí)代謝物的合成上,為刺激植物生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸、消除活性氧、根系生長(zhǎng)、根瘤菌招募、營(yíng)養(yǎng)吸收等生存防御反應(yīng)提供保障[48-50]。

光合作用增強(qiáng)促進(jìn)植物生長(zhǎng)和光合產(chǎn)物的合成,植株群落的多樣性增加了地表光合面積和碳截獲,根系分泌物隨之增加。小麥(Triticum aestivum)蠶豆(Vicia faba)間作增加了蠶豆根系黃酮分泌量和根瘤數(shù)量,小麥-玉米(Zea mays)間作使系統(tǒng)類黃酮分泌量提高了2 倍,分離玉米根系分泌物單獨(dú)處理蠶豆,根中查爾酮-黃烷酮異構(gòu)酶(CHI)的基因表達(dá)量是原來的120%,并誘導(dǎo)結(jié)瘤關(guān)鍵基因(ENOD93)表達(dá)[51-52]。玉米根系分泌物中也存在類似染料木素、槲皮素等黃酮類物質(zhì),通過化感作用刺激蠶豆分泌更多的黃酮化合物以誘導(dǎo)根瘤菌侵染,在根瘤菌正反饋的作用下又會(huì)促進(jìn)黃酮化合物的分泌(圖1)。

3.1.2 光合產(chǎn)物為根瘤菌補(bǔ)充碳源

間套作種植模式下,光合產(chǎn)物合成的增加促進(jìn)了根系營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分泌,如氨基酸、有機(jī)酸、糖、蛋白黏液等,這些物質(zhì)是土壤根瘤菌的重要碳源。玉米根系分泌的黏液中主要有葡萄糖、半乳糖、巖藻糖、甘露糖、阿拉伯糖等糖;半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸等糖醛酸,尤其是蘋果酸、富馬酸、琥珀酸等有機(jī)酸是根瘤菌優(yōu)先利用的碳源,促進(jìn)了根瘤菌的聚集[53-55]。研究發(fā)現(xiàn),谷類和豆類作物間作可顯著提高谷物根系有機(jī)酸的分泌量,增加土壤磷、鐵、鋅等元素的可用性,豐富了細(xì)菌群落的多樣性,提高了根際根瘤菌和ni?H基因的豐度[56-59]。

3.2 光合產(chǎn)物調(diào)控根瘤生長(zhǎng)發(fā)育

3.2.1 光合產(chǎn)物在根瘤中的代謝過程

根瘤需要消耗大量碳水化合物維持固氮需要的能量和碳骨架,光合產(chǎn)物直接參與根瘤糖代謝。通過光合碳同位素標(biāo)記和代謝組學(xué)分析證實(shí):根和根瘤植物細(xì)胞質(zhì)中主要進(jìn)行的蔗糖合成/分解、淀粉合成/分解、糖酵解、TCA 循環(huán)過程,把光合產(chǎn)物蔗糖轉(zhuǎn)化為根瘤菌直接利用的蘋果酸、琥珀酸鹽。根瘤菌的遺傳學(xué)分析也證明,蘋果酸、琥珀酸等在PBM和根瘤菌膜上的二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體下進(jìn)入根瘤菌體內(nèi),根瘤菌的固氮基因和二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的基因相整合,是共生固氮不可或缺的[60-63]。

光合作用產(chǎn)生的蔗糖(sucrose)先是經(jīng)過韌皮部運(yùn)輸,通過糖外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(MtSWEET11)到達(dá)皮層細(xì)胞,在蔗糖合成酶(SS)或轉(zhuǎn)化酶(INV)催化下水解成尿苷二磷酸葡萄糖(6-P-Glu)或葡萄糖(glucose),經(jīng)過磷酸活化進(jìn)入糖酵解生成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),再通過磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)生成草酰乙酸(OAA),OAA 在蘋果酸脫氫酶(MDH)催化下生成根瘤菌呼吸直接需要的蘋果酸(Mal)。Mal 由二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(DctA)下進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi),在低氧條件下進(jìn)入TCA 循環(huán),產(chǎn)生大量ATP、NADH、e-,在固氮復(fù)合物作用下將N2還原為NH3。NH3與Glu (谷氨酸)合成Gln,在谷氨酸合成酶(GOGAT)、α1-抗胰蛋白酶(AAT)催化下形成天冬酰胺(Asn) (或形成酰脲)等經(jīng)木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)降厣喜抗┑鞍缀铣尚枰?。為保證細(xì)菌的高呼吸活性,Mal 還需要通過蘋果酸酶(ME)產(chǎn)生丙酮酸(Pyr)以繼續(xù)生成OAA。菌外TCA 循環(huán)的中間產(chǎn)物琥珀酸也源源不斷進(jìn)入菌內(nèi)刺激TCA 循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。在大豆根瘤中可觀測(cè)到大量的丙二酸(破壞琥珀酸脫氫酶,抑制線粒體呼吸)和琥珀酸積累[2,14,40](圖1)。

光合產(chǎn)物在根瘤中的分解代謝由SS、PEPC、MDH 3 個(gè)關(guān)鍵酶調(diào)節(jié)[2]。SS 在植株廣泛分布,在大豆中額外補(bǔ)充糖、谷氨酰胺和尿囊素可上調(diào)SS 的表達(dá),在根瘤中干擾其表達(dá)會(huì)導(dǎo)致蔗糖、果糖的濃度下降[2,64-65]。蔗糖磷酸合成酶(SPS)可以分解淀粉合成蔗糖,也可以把蔗糖轉(zhuǎn)化為淀粉運(yùn)送到根瘤活性中央?yún)^(qū)。SS 和SPS 都有利于維持根瘤共生后的蔗糖供應(yīng)[66]。葉片中的PEPC 有助于葉肉細(xì)胞固定和存儲(chǔ)CO2,給維管束細(xì)胞中的卡爾文循環(huán)提供原料,而根瘤中的PEPC 把糖酵解途徑中的PEP 導(dǎo)向另一個(gè)分枝:氮代謝。其催化生成的OAA 可以給氨基酸合成4C 骨架,Asn、Asp (天冬胺酸)所需的C 有30%是根瘤PEPC固定的。停止PEPC 表達(dá)后,根瘤中乙炔還原活性,SS 和AAT 活性均顯著降低,蔗糖、琥珀酸鹽、天冬酰胺、天冬氨酸和谷氨酸的含量也有所下降。根瘤PEPC 被6-P-Glu 和磷酸三糖激活,被L-malate 和氮同化產(chǎn)物Asp 抑制,減少光合作用和光合產(chǎn)物輸入,長(zhǎng)暗處理和環(huán)剝降低了PEPC 的磷酸化水平,增加了PEPC 對(duì)L-malate 抑制的敏感性,恢復(fù)光照后PEPC 的去磷酸化水平明顯降低。減少光合作用不會(huì)降低PEPC的最佳活性,PEPC 的磷酸化水平和活性調(diào)節(jié)依賴于就近的光合產(chǎn)物調(diào)節(jié)[67-68]。豆類根瘤中存在獨(dú)特的根瘤增強(qiáng)型MDH (Ne-MDH),其轉(zhuǎn)錄水平量隨著根瘤發(fā)育階段增強(qiáng)。Ne-MDH 對(duì)Mal 的米氏常數(shù)(Km)遠(yuǎn)大于對(duì)OAA 的,且具有較高的催化常數(shù)(Kcat),表明Ne-MDH 催化的反應(yīng)更有利于形成Mal[69-70]。

3.2.2 光合產(chǎn)物作為糖信號(hào)啟動(dòng)根瘤形成

光合產(chǎn)物中長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)恼崽羌捌浞纸猱a(chǎn)物葡萄糖可作為信號(hào)直接促進(jìn)DELLA 蛋白表達(dá)基因上調(diào),誘導(dǎo)結(jié)瘤共生信號(hào),還可以通過促進(jìn)側(cè)根的發(fā)育以實(shí)現(xiàn)結(jié)瘤[38-39]。MADS-box基因被認(rèn)為有調(diào)控側(cè)根發(fā)育的功能,它的一種MIKC 型轉(zhuǎn)錄因子GmNMHC5,與擬南芥(Arabidopsis thaliana)中響應(yīng)硝酸鹽調(diào)控側(cè)根生長(zhǎng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子AGL17有高度相似的氨基酸序列,GmNMHC5和AGL17均在根系被高度表達(dá)。研究證明,轉(zhuǎn)基因大豆中GmNMHC5的過表達(dá)顯著促進(jìn)了側(cè)根發(fā)育和結(jié)瘤,外源蔗糖的添加可上調(diào)GmNMHC5[71]。在衰老期,蔗糖還可以加速根瘤衰老,蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)參與根瘤衰老調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄因子MtATB2 和AtATB2 一樣受到蔗糖和光的誘導(dǎo),加入蔗糖可促使MtATB2 轉(zhuǎn)錄水平升高,根系和根瘤數(shù)量均減少[72]。蔗糖分解產(chǎn)生的葡萄糖也是一種廣泛的糖信號(hào),己糖激酶(HXK)是糖酵解第一步的限速酶,也是葡萄糖受體,參與葡萄糖信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),尤其對(duì)進(jìn)入代謝的糖通量敏感[73-74]。蔗糖分解為葡萄糖后,經(jīng)過HXK 催化后形成高活性的6-磷酸葡萄糖(G6P)可抑制蔗糖非發(fā)酵相關(guān)激酶1(SnRK1)活性。SnRK1 作為營(yíng)養(yǎng)脅迫感應(yīng)器并激活相應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子,通過磷酸化控制14-3-3 蛋白結(jié)合,同時(shí)抑制硝酸還原酶(NR)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)的活性,進(jìn)而延遲根瘤發(fā)育[75]。同時(shí),G6P 在海藻糖6-磷酸合酶(TPS)和T6P 磷酸酶(TPP)的活性參與下通過糖代謝的另一個(gè)分支海藻糖途徑,產(chǎn)生二糖海藻糖(Tre) (根瘤菌重要的滲透保護(hù)劑)。Tre 的前體T6P 是信號(hào)物質(zhì)和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,在低生理濃度下對(duì)SnRK1 進(jìn)行抑制,進(jìn)而促進(jìn)根系發(fā)育和結(jié)瘤[76-77]。TOR 激酶是與SnRK1 拮抗作用的營(yíng)養(yǎng)信號(hào)感受和生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)節(jié)器,在大豆根毛侵染線和成熟根瘤細(xì)胞內(nèi)大量轉(zhuǎn)錄,有助于活性氧的減少,對(duì)植物與根瘤菌形成共生關(guān)系有重要貢獻(xiàn),TOR 可響應(yīng)糖酵解強(qiáng)度或直接響應(yīng)G6P 以激活根分生組織,為細(xì)胞壁合成提供中間代謝物和碳能量,還能感應(yīng)自上而下極性運(yùn)輸?shù)纳L(zhǎng)素信號(hào),激活核糖體蛋白激酶S6K,磷酸化核糖體蛋白R(shí)PS6-1/2,促進(jìn)側(cè)根發(fā)育和根瘤菌誘導(dǎo)的皮層細(xì)胞分裂[78-80](圖1)。

3.2.3 光合產(chǎn)物作為能源促進(jìn)根瘤生長(zhǎng)發(fā)育

根瘤生長(zhǎng)發(fā)育需要的能源來自于植株光合作用產(chǎn)生并運(yùn)輸?shù)恼崽荹2,81]。Fujikake 等[82]發(fā)現(xiàn)蔗糖處理可以顯著增加根瘤直徑,對(duì)植株進(jìn)行照光也是如此,光照時(shí)間越長(zhǎng),根瘤直徑增加越快;光照和蔗糖處理可以解除根瘤生長(zhǎng)的硝酸鹽抑制現(xiàn)象。還有研究表明,大豆生根培養(yǎng)基外源補(bǔ)充蔗糖可以顯著提高根瘤菌在酸性、干旱、高溫條件下的耐逆性,其細(xì)菌的滲透保護(hù)性物質(zhì):海藻糖、甘油都顯著提升,并且大豆的結(jié)瘤數(shù)量增加[83]。把結(jié)瘤的苜蓿(Medicago sativa)移除地上部7 d 后,其根瘤的蔗糖、蘋果酸和α-酮戊二酸含量降低,地上部碳同化能力的削弱,抑制了根瘤的生長(zhǎng)。根瘤的C13含量在地上部移除7 d后顯著增加,根部存儲(chǔ)的碳水化合物就近分配給根瘤以維持根瘤的活性,隨著時(shí)間的推移,根瘤中被標(biāo)記的蔗糖含量降低,C13的氨基酸含量增加,證明了這部分C13從蔗糖移到了氨基酸[84]。高鎂供應(yīng)下,葉綠素含量增加,光合作用增強(qiáng),蔗糖合成酶和磷酸合成酶活性增強(qiáng),大豆葉片的蔗糖和淀粉積累減少,根瘤中的積累量增加,在不改變根瘤結(jié)構(gòu)的情況下促進(jìn)了根瘤數(shù)量和直徑的增長(zhǎng)。因此,鎂通過改變光合產(chǎn)物的供應(yīng)促進(jìn)了根瘤的生長(zhǎng)[85]。

促進(jìn)光合產(chǎn)物向根瘤的分配將有利于根瘤的生長(zhǎng),但是光合產(chǎn)物對(duì)根瘤的促進(jìn)作用存在限度。有研究表明增加環(huán)境CO2的濃度,光合產(chǎn)物增加,鷹嘴豆(Cicer arietinum)的根伸長(zhǎng),根系類黃酮分泌無顯著性差異,根瘤形成個(gè)數(shù)先升高后降低。CO2的升高首先促進(jìn)了根的伸長(zhǎng)(伸長(zhǎng)明顯高于增粗的幅度),進(jìn)而提高根瘤個(gè)數(shù),繼續(xù)增加CO2濃度,根瘤個(gè)數(shù)沒有增加[86]。有人提出以下解釋:在能量供應(yīng)充足情況下,植株細(xì)胞代謝增強(qiáng),自由基產(chǎn)生較多。高濃度CO2調(diào)控初級(jí)代謝進(jìn)入衰老狀態(tài),且根瘤的固氮能力和蔗糖利用效率并不一定隨著碳供應(yīng)提高,多余的糖可在根瘤儲(chǔ)存為淀粉[87]。高CO2濃度狀態(tài)下植株的葉綠素含量和NBI (葉綠素和類黃酮的比值)不增反降,可知根瘤固氮能力和植株的氮素水平并未提升[88]。光合產(chǎn)物不能無限促進(jìn)根瘤生長(zhǎng)和固氮能力的根本原因是:光合產(chǎn)物經(jīng)過蔗糖分解、糖酵解形成的PEP 有兩條去路,一是直接(結(jié)合1 分子CO2)形成OAA 作為同化銨的骨架,二是繼續(xù)脫羧(釋放1 分子CO2)形成乙酰輔酶A (乙酰CoA),與OAA結(jié)合匯入TCA循環(huán),根瘤從PEP 開始到TCA 需要丟失3 分子CO2,這意味著光合產(chǎn)物對(duì)根瘤菌呼吸的能量供應(yīng)存在碳損失,地上部運(yùn)輸?shù)奶遣荒芡耆珴M足根瘤對(duì)有機(jī)酸的旺盛需求,因?yàn)橛袡C(jī)酸的消耗更快。為了保證銨同化的高效性,滿足植物生長(zhǎng)需要,減少對(duì)固氮酶的抑制,需要額外補(bǔ)充較高的CO2濃度,以提供源源不斷的Mal 和OAA 去分別維持根瘤菌的能量需求和根瘤細(xì)胞的氮同化。直接增加根瘤細(xì)胞的CO2供應(yīng)可顯著改善根瘤活性,根瘤明顯變紅、變大,單顆根瘤干物質(zhì)平均增重5 倍,根瘤數(shù)量也增加近1 倍,同時(shí)根瘤中的有機(jī)酸和氨基酸含量、木質(zhì)部的Asn 含量均有顯著提升[89]。

4 總結(jié)和展望

豆科植株和根瘤菌經(jīng)過長(zhǎng)期的共同進(jìn)化形成共生互惠關(guān)系,植物給根瘤菌固氮需要的微氧環(huán)境和碳營(yíng)養(yǎng),而根瘤則成了專一輸出銨的耗能細(xì)胞器。植株子葉出土后,光以光形態(tài)建成和光合作用的方式控制根瘤形成發(fā)育的各個(gè)方面。當(dāng)光照條件較好時(shí),植物的碳同化引發(fā)了氮需要,而在土壤NO3-/NH4+不足的情況下,豆科植物開始分泌類黃酮吸引根瘤菌。但是具體需要形成多少根瘤,還需要經(jīng)過地上部葉片的調(diào)控,葉片通過光敏色素感知光質(zhì)條件以調(diào)控根瘤的形成,根據(jù)體內(nèi)糖代謝狀態(tài)提供能量供應(yīng)。根和根瘤的形成整合了大量相似的轉(zhuǎn)錄途徑,屬于此消彼長(zhǎng)的關(guān)系,無論是直接吸收土壤的氮還是通過根瘤菌固定空氣中的氮,都是植物高效利用資源,減少資源浪費(fèi)的一種智慧反應(yīng)。

全球氣候變暖,作物生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)性增加,作物多樣性種植對(duì)穩(wěn)定產(chǎn)量,抵御逆境做出了巨大貢獻(xiàn),但歸根結(jié)底是單位土地面積光截獲量的提升。多樣性種植[如豆科和禾本科(Poaceae)植物的間套作]增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)會(huì)加大氮素的投入,勢(shì)必帶來更大的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境壓力。光比氮對(duì)植株的初級(jí)生產(chǎn)力影響更大,利用豆科植物間套作其他作物可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田氮素和光能的雙增益。關(guān)于豆科植物如何響應(yīng)硝酸鹽調(diào)控結(jié)瘤的分子機(jī)制研究已有很多,但光及光合產(chǎn)物如何調(diào)控根瘤形成發(fā)育的轉(zhuǎn)錄、代謝途徑還不太明確。例如光合產(chǎn)物如何影響氮的轉(zhuǎn)運(yùn)和同化以調(diào)節(jié)植物氮水平進(jìn)而決定是否形成根瘤? 根瘤形成以及固氮過程中的碳成本和氮收益? 光信號(hào)和光合產(chǎn)物是否也參與到結(jié)瘤自動(dòng)調(diào)節(jié)途徑(AON)調(diào)控中? 探究這些問題,有助于系統(tǒng)闡釋豆科植物植株和群體光合產(chǎn)物利用和固氮機(jī)理,豐富豆科植物結(jié)瘤固氮理論,為間套作減肥增效技術(shù)研發(fā)提供理論依據(jù)。