Plant Cell|硝酸盐如何调控豆科植物根瘤形成的分子机制被揭示
日报筑波大学的研究人员发现，硝酸盐诱导的根瘤形成控制是由于控制基因表达的特定蛋白质的DNA结合特性不同而引起的。
图1.硝酸盐诱导的根瘤形成控制
日本筑波-豆科（豆类）中的植物在根部形成根瘤吸收氮。 当氮含量很高时，豆类将停止根瘤的产生（图1），但正是硝酸盐的存在如何控制这些植物中根瘤的形成一直是一个谜。 现在，日本的研究人员发现，蛋白质与硝酸盐之间的相互作用可以诱导和抑制基因，控制结瘤，并在可持续农业中具有潜在的应用。
在4月发表于《植物细胞》的一项研究中，筑波大学的一个研究小组表明，建立结节发育的蛋白质之间不同的DNA结合特性决定了控制结节共生的基因是否开启或关闭。 基因表达是硝酸盐诱导的。
到现在为止，对分子活性的了解还不够全面，这些分子活性决定了在过量硝酸盐存在下豆类如何阻止结瘤。 先前的研究确定了与结节形成有关的转录因子（有助于使特定基因“打开”或“关闭”的蛋白质），但这只是故事的一部分。
该研究的资深作者Takuya Suzaki教授说：“在先前鉴定出与结节发生有关的蛋白质（称为NLP）的转录因子的基础上，我们试图回答促进结瘤的共生基因表达如何被硝酸盐控制的问题。” “我们测试了特定的自然语言处理，发现它们具有重叠的功能，导致硝酸盐诱导的结瘤控制。”
为了检查这些分子之间的相互作用，研究人员使用了来自莲花(Lotus japonicus)的蛋白质分析了RNA分子和植物性状。 他们发现某些蛋白质具有双重功能，充当硝酸盐依赖性基因表达的主要调节剂。 他们还确定了新的蛋白质结合位点，并将其与先前已知的结合位点进行了比较。 他们的发现揭示了与NLP调控共生基因抑制硝酸盐结节的转录有关的基本原理。
研究小组强调了其他问题。 在细胞核中发现一些NLP响应硝酸盐并停止结节的产生，而其他NLP则不断地聚集在细胞核中，而与硝酸盐水平无关。 对于后者，还不清楚它们如何仅在硝酸盐存在下起作用。
NLP在细胞中的位置很重要，因为翻译（将RNA编码为蛋白质时）发生在细胞质中。 如果在阅读了遗传密码后（翻译后修饰）蛋白质发生了变化，则可以解释这些NLP如何访问蛋白质与蛋白质的相互作用并调节基因。
Suzaki教授解释说：“发现转录因子如何影响基因表达一直是理解植物转录调控难题的一个遗漏环节。” “我们的发现使我们更加了解这些复杂的分子关系中可能发生的事情，但是还有很多事情要解决。未来的研究应该旨在回答其他NLP和感兴趣的其他植物物种如何调节结瘤的问题。”
Abstract
Leguminous plants produce nodules for nitrogen fixation; however, nodule production incurs an energy cost. Therefore, as an adaptive strategy, leguminous plants halt root nodule development when sufficient amounts of nitrogen nutrients, such as nitrate, are present in the environment. Although legume NODULE INCEPTION (NIN)-LIKE PROTEIN (NLP) transcription factors have recently been identified, understanding how nodulation is controlled by nitrate, a fundamental question for nitrate-mediated transcriptional regulation of symbiotic genes, remains elusive. Here, we show that two Lotus japonicus NLPs, NITRATE UNRESPONSIVE SYMBIOSIS 1 (NRSYM1)/LjNLP4 and NRSYM2/LjNLP1, have overlapping functions in the nitrate-induced control of nodulation and act as master regulators for nitrate-dependent gene expression. We further identify candidate target genes of LjNLP4 by combining transcriptome analysis with a DNA affinity purification (DAP)-seq approach. We then demonstrate that LjNLP4 and LjNIN, a key nodulation-specific regulator and paralogue of LjNLP4, have different DNA-binding specificities. Moreover, LjNLP4-LjNIN dimerization underlies LjNLP4-mediated bifunctional transcriptional regulation. These data provide a basic principle for how nitrate controls nodulation through positive and negative regulation of symbiotic genes.
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