PNAS:揭示极光激酶调节根瘤共生的分子机制

来源：分子植物卓越中心2022-10-19 09:34

在北欧神话中，利昂娜的极光用翅膀划破漆黑的夜空形成极光，预示着黎明的到来。极光基因最早在黑腹果蝇中发现，其突变细胞分裂形成单极纺锤体，形似极光，故命名为极光激酶极光。

在北欧神话中，利昂娜的极光用翅膀划破漆黑的夜空形成极光，预示着黎明的到来。Aurora基因最早在黑腹果蝇中发现，其突变细胞分裂形成单极纺锤体，形似极光，故命名为极光激酶Aurora(Glover等，1995)。Aurora在许多癌症中过度表达，因此Aurora在抗肿瘤研究中受到广泛关注，但研究人员对其在植物中的功能知之甚少。

10月17日，中国科学院分子植物科学卓越与创新中心研究组、中国科学院植物与微生物联合研究中心-英国约翰英尼斯中心Jeremy Murray在《美国国家科学院院刊》 (PNAS)召开会议。发表了题为《共生细菌胞内感染需要线粒体激酶Aurora 1》的论文，首次揭示了Aurora在根瘤共生中的重要作用和调控机制。

豆科植物与根瘤菌的共生固氮作用可以有效减少化肥的使用量，因此分析共生的分子机制是发展可持续农业的重要基础。共生系统的建立取决于根瘤菌能否成功侵染宿主。对于大多数豆科植物来说，根瘤菌通过细小的显微侵染线侵入植物细胞，然后在根瘤菌中定殖固氮。侵染线呈管状，穿过细胞，由植物细胞膜和细胞壁内陷形成。形成过程依赖于细胞骨架的重塑，需要微丝、微管和囊泡在时间和空间上的协调。科学家注意到，侵染线形成过程中细胞骨架的动态行为与有丝分裂过程中细胞板的发育过程十分相似(Brewin，1991；Rae et al .1992)，但尚不清楚细胞周期是否参与侵染线的形态发生。

以往的研究发现，根瘤菌感染的发生与多个细胞周期基因的再激活密切相关(Breakspear et al .2014)。由于AUR1突变体的死亡，我们使用CRISPR/Cas9编辑系统进行共生组织特异性敲除。发现AUR1突变后侵染线发育异常，说明aur1在早期结瘤过程中起关键作用。活细胞荧光成像分析、共沉淀和蛋白磷酸化实验表明，AUR1与微管蛋白和微管结合蛋白MAP65相互作用，共位于根毛感染前结构中，提示AUR1通过调节细胞骨架促进感染线的形成。研究人员对转录调控的进一步研究表明，AUR1的激活是由R1R2R3-Myb转录因子MYB3R1直接调控的。干扰MYB3R1的表达显著抑制了感染线和结节的形成，而MYB3R1的过表达显著增加了感染和结瘤。与非豆科植物相比，豆科植物AUR1启动子中的顺式元件是不同的，它们对AUR1的表达模式非常重要，这表明豆科植物在共生进化过程中通过募集MYB3R1-AUR1有丝分裂模块来促进精细侵染系的建立。

该研究初步揭示了细胞周期基因调控侵染线形成的分子机制，为提高和改造豆科作物固氮能力提供了重要的基因资源和理论依据。该研究得到了中国科学院国家重点研发中心的支持。d计划、国家博士后科学基金和上海超级博士后奖励计划。

根瘤菌正在感染苜蓿根毛。红色的极光和绿色的微管蛋白。

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