植物根瘤共生是自然界最高效的生物固氮系統(tǒng)，可支撐植物在缺氮土壤中正常生長(zhǎng)發(fā)育。根瘤共生固氮這一特性僅存在于被子植物固氮支系的葫蘆目、豆目、殼斗目和薔薇目10個(gè)科的植物中。長(zhǎng)期以來，科學(xué)界圍繞根瘤固氮的起源和演化機(jī)制一直存在爭(zhēng)議。

中國科學(xué)院昆明植物研究所與分子植物卓越創(chuàng)新中心合作，對(duì)根瘤共生基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的形成和演化機(jī)制開展了深入研究。研究通過對(duì)10個(gè)關(guān)鍵固氮支系代表物種的全基因組測(cè)序，結(jié)合194個(gè)已發(fā)表基因組數(shù)據(jù)，開展比較基因組與系統(tǒng)發(fā)育分析，首次在單基因水平上，解析了根瘤共生基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的演化架構(gòu)。

研究證實(shí)核心真雙子葉植物的γ古六倍體事件，為根瘤共生關(guān)鍵基因的誕生提供了核心分子基礎(chǔ)，NIN、CNGCa等核心基因在此階段通過基因復(fù)制與功能分化形成，成為根瘤共生調(diào)控網(wǎng)絡(luò)組裝的核心基石。

研究明確根瘤共生初始調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（含523個(gè)基因）起源于固氮支系的共同祖先，該網(wǎng)絡(luò)通過模塊化招募策略，整合重排菌根共生、硝酸鹽響應(yīng)、脅迫響應(yīng)三大通路的基因構(gòu)建而成。

研究揭示了豆科植物共生體形成的趨同進(jìn)化機(jī)制。SymSTK激酶與NPL基因在不同豆科支系中被獨(dú)立招募，二者協(xié)同調(diào)控細(xì)胞壁重塑與共生細(xì)菌釋放，維持共生體功能穩(wěn)態(tài)。突變體功能驗(yàn)證進(jìn)一步證實(shí)，這兩個(gè)基因?qū)Ω稣Ｐ纬杉爸参锕痰芰χ陵P(guān)重要。

該研究不僅揭示了根瘤共生演化這一長(zhǎng)期謎團(tuán)，更系統(tǒng)構(gòu)建了根瘤共生網(wǎng)絡(luò)的核心基因“清單”，為人工改造非固氮作物提供了精準(zhǔn)靶點(diǎn)。

相關(guān)研究成果以Evolution of Root Nodule Symbiosis via Paleopolyploidy and Modular Pathway Rewiring為題，發(fā)表在Cell Host & Microbe上。研究工作得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、云南省“興滇英才支持計(jì)劃”等的支持。