Nature | 一个基因突变就可以使植物根系更容易受到有益微生物的喜爱，小麦固氮时代开始！

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研究背景

促进植物和土壤微生物之间的互利关系，增强植物对养分的获取，可以在不增加无机肥料使用的情况下提高作物产量。一种突变会导致植物细胞核中称为CNGC15的通道中的氨基酸替换，从而促进这种内共生关系的形成。

豆科植物，如苜蓿，与丛枝菌根真菌（AMF）和固氮细菌（称为根瘤菌）形成互利关系。这些关系被称为内共生，可以改善植物的营养吸收。在M.truncatula中，一种名为CNGC15的通道——CNGC钙离子（Ca2+）通道家族的成员——与另一种名为DMI11的通道形成复合物，通过在植物细胞核中产生Ca2+振荡来响应来自内共生微生物的分子信号。这些振荡是建立土壤微生物和植物根系之间的内共生关系所必需的，因此对养分获取至关重要。尽管哺乳动物的CNGC通道是由环核苷酸的结合来门控的，但植物CNGC的这种调控的证据是有限的，并且已经提出了涉及钙调素（CaM）蛋白质的替代门控机制。然而，研究发现，蒺藜状苜蓿中与Ca2+结合的CaM2是关闭而非打开CNGC15所必需的。我们试图解决两个关键问题：在这种植物中CNGC15开放的分子机制是什么，DMI1在其与CNGC15的复合物中的具体作用是什么？

研究天然膜环境中的离子通道至关重要，因为它们的结构、功能和调节受到周围脂质分子的复杂影响。然而，在活体植物中使用传统的电生理方法时，研究DMI1和CNGC15等位于核膜（一种包围细胞核并包含核孔的双层膜）中的通道是一个挑战。

研究结果

为了克服这些障碍，我们结合了蒺藜状苜蓿的遗传方法和钙成像，以鉴定编码CNGC15的基因中的突变，这些突变可以使其功能与DMI1脱钩。筛选一组具有化学诱导突变的植物，发现一种突变会导致蒺藜状苜蓿CNCG15第一个跨膜螺旋中的单个氨基酸替换（图1a）。这种取代导致CNCG15独立于DMI1或根瘤菌和AMF分泌的分子而激活自身。突变体CNCG15与CaM2相互作用，维持自发的核Ca2+振荡，其频率是内共生体分泌的分子诱导的频率的一半（图1b）。值得注意的是，只有当DMI1存在时，分泌的分子才会增加Ca2+振荡频率。总之，这些结果表明，DMI1就像一个起搏器，对于设置核Ca2+振荡的频率以实现内共生至关重要。出乎意料的是，在具有CNGC15突变的蒺藜状苜蓿中观察到的低频Ca2+振荡对生物体进行了重新编程，以增强其有益代谢物黄酮类化合物的产生，这显著增加了与固氮细菌和AMF的关联。我们表明，CNGC15突变带来的益处不仅限于豆类；小麦中的等效突变增强了AMF的定殖和田间条件下的养分获取。

大多数作物的生产依赖于硝酸盐和磷肥，但过度使用会损害环境。根内共生体为无机肥料的使用提供了一种天然的替代方案。然而，与固氮根瘤菌和AMF的内共生优先发生在养分贫乏的土壤中，这与集约化农业的条件相冲突。令人兴奋的是，我们发现的突变增强了农业条件下的内共生，这表明在减少化肥使用的同时，利用内共生体进行可持续作物生产的潜力。尽管需要进一步的研究来确定在使用AMF的同时减少肥料使用是否会导致田间作物产量与充分使用无机肥料的产量相同或更高，但我们的工作表明，内共生菌为可持续作物生产和减少对无机肥料的需求提供了潜力。

库克及其同事的工作无疑为豆类和微生物之间的共生过程提供了宝贵的分子见解。但我发现特别有趣的是，他们展示了将新获得的知识转移到一种经济上重要的非豆类作物上，从而改善了小麦的营养获取。我们的发现强调了基础科学在应对社会挑战方面的重要性。我们的主要目标是了解核Ca2+振荡是如何响应植物内共生体的。在此过程中，我们意外地发现，即使在不利条件下，对植物进行重新编程以显示两种频率的核Ca2+振荡也可以维持增强的内共生。这一发现对推进可持续农业具有巨大潜力。此外，这项研究有望为钙信号传导的研究做出广泛贡献，为解开复杂的钙信号传导过程提供新的工具和策略。

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