科普 | 给作物开小灶：科学家发现豆科植物与根瘤菌高效合作的新秘密

发布时间：2026-01-08
在农业生产和园艺种植中，豆科植物算得上是省心又养地的宝藏植物——种大豆、豌豆这类豆子时，哪怕少施甚至不施氮肥，它们也能长得枝繁叶茂；像紫云英、苜蓿这类豆科植物，还常被当作“绿肥”种在田里，悄悄给土壤“补充营养”，这背后藏着豆科植物独有的生存智慧。这要归功于豆科植物（大豆、苜蓿、花生等等）和一种叫做根瘤菌的土壤细菌之间的“互助合作”：植物给细菌一个“家”（根瘤），并提供碳源食物；细菌则发挥“固氮”本领，把空气中的氮气转化成植物能吸收利用的氮肥，给植物直接提供养分。
这个自然界最高效的“生物固氮工厂”是如何精准运转的？最近，中国科学院微生物研究所的孔照胜团队有了突破性发现，揭开了维持这个高效合作的一个关键环节——植物居然会通过一套专门的“运输通道”负责氨基酸的交换，来维持它们高效工作状态。这项成果发表在《Plant Communications》杂志上。


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重新认识“合作条款”：不只送碳，还送氨基酸

根瘤就是一个小小的“固氮工厂”，植物和根瘤菌默契合作、高效运转，配合生产出了大量氮肥。在这个合作中，根瘤菌进入植物细胞后，会被植物用一层膜（“共生体膜”）包裹起来变成类菌体，这样一个结构被称为共生体，共生体才是真正固氮的“车间”。
以往教科书告诉我们，这个合作的“交易条款”很简单：植物给根瘤菌送碳（主要是二羧酸盐），根瘤菌回馈氮（氨）。但科学家们逐渐发现，事情没那么简单，氨基酸（蛋白质的基本组成单位）的交换可能也至关重要。根瘤菌将自己劳动所获的成果（氮）全数上交给它的“雇主”植物，植物再将这些氮素集中收集利用，最后向根瘤菌发放它们生存所需的“工资”（氨基酸）。同时在车间里的根瘤菌在工作间隙也会“消费”，付出少量的“工资”，也就是排出一些氨基酸。


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发现关键“运输队长”：CAT蛋白

研究团队在模式豆科植物蒺藜苜蓿中，找到了三个位于共生体膜上的“阳离子氨基酸转运蛋白”，分别命名为MtCAT1a、MtCAT1b和MtCAT1c（图1A和1B）。可以想象，它们就像是安装在“车间围墙”上的几个特定货物传送门。研究发现，其中MtCAT1b和MtCAT1c这两个“传送门”在车间里特别活跃，而MtCAT1a则不太给力。


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关闭“传送门”，工厂就出问题

为了验证这两个“传送门”有多重要，研究人员用基因技术把它们“关闭”了（图1C-1E）。结果非常明显：
• 根瘤菌“饿”出异常：电镜观察发现，突变体根瘤里的根瘤菌内部出现了异常的PHB（一种细菌的能量储存物）的积累（图1F），说明其正常的代谢循环被打乱了。这就像工厂没有按时发工资，工人不好好干活。
• 整个“生产线”效率降低：进一步分析表明，根瘤菌的碳氮代谢紊乱，能量（ATP）合成下降。最终，整个根瘤的固氮能力显著降低。这证明，这两个“传送门”对维持根瘤菌的健康高效工作状态必不可少。
• 它们运输什么？在酵母中的实验证明，MtCAT1b和MtCAT1c确实具有转运精氨酸等关键氨基酸的能力。而且这两个蛋白还能互相合作，在生产中可能共同执行任务。

图1 MtCAT1c亚细胞定位及突变体表型
图注：A，MtCAT1c转运蛋白亚细胞定位图，用免疫荧光的方法检测GFP-CAT1c融合蛋白在根瘤侵染细胞中的定位情况；绿色荧光信号标记的是GFP-CAT1c融合蛋白的位置，洋红色为RFP标记的根瘤菌。B，GFP-CAT1c融合蛋白与根瘤菌的共定位分析；黄色线条为共定位信号统计位置；标尺为10微米。C，蒺藜苜蓿野生型及MtCAT1相关突变体，照片拍摄于接种根瘤菌后5周，n=5；标尺为2厘米。D，蒺藜苜蓿野生型及突变体地上鲜重统计。E，蒺藜苜蓿野生型及突变体根瘤长度统计；数据均统计于接种根瘤菌5周后。F，透射电镜观察蒺藜苜蓿野生型及突变体根瘤侵染细胞内类菌体；根瘤材料收集于接种根瘤菌3周时。R108为蒺藜苜蓿野生型。（来源：作者）

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这意味着什么？

这项研究首次直接证明，植物不仅给根瘤菌提供碳源，还会通过共生体膜上的特定氨基酸转运蛋白来维持根瘤菌和植物之间的氨基酸交换（图2）。这种精准的物资分配是维持根瘤菌高效固氮代谢的关键。

图2 共生体膜定位的MtCAT1b和MtCAT1c维持高效共生固氮关系

图注：MtCAT1b和MtCAT1c在蒺藜苜蓿根瘤侵染细胞中表达，并定位于共生体膜上，参与根瘤菌和豆科植物之间氨基酸交换。Nodules，根瘤；Medicago truncatula，蒺藜苜蓿；symbiosome，共生体；vacuole，液泡；root nodule infected cell，根瘤侵染细胞；bacteroid，类菌体；plant cell cytosol，植物细胞质；symbiosome membrane，共生体膜；symbiosome space，共生体空间；amino acids，氨基酸。（来源：作者）

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总结与展望

这项发现从根本上更新了我们对豆科植物与根瘤菌共生关系的理解，在植物角度发现了“氨基酸跨界运输”是维持高效固氮的关键分子机制。
它不仅加深了我们对自然界神奇合作的理解，也为未来农业应用提供了新的思路：能否通过育种或生物技术手段，优化这些“运输队长”（CAT蛋白）的功能，从而培育出固氮能力更强、更节肥高产的豆科作物新品种？这对于发展绿色可持续农业、减少化肥依赖具有重要的科学意义。

参考文献：
  • Wu J, Zhang X, Fan Z, Huang Y, Cao Y, Ren J, Yang L, Tian J, Yu Y, Kong Z. Symbiosome membrane-localized cationic amino acid transporters support symbiotic nitrogen fixation in Medicago truncatula. Plant Commun. 2025 Dec 5:101636. doi: 10.1016/j.xplc.2025.101636  IF: 11.6 Q1. Epub ahead of print. PMID: 41351265


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