2022年11月1日，微生物研究所孔照胜研究组在Nature Plants上发表了题为“A Legume Kinesin Controls Vacuole Morphogenesis for Rhizobia Endosymbiosis”的研究论文，揭示了驱动蛋白nKCBP调控根瘤菌内共生的分子细胞机制。
KCBP（Kinesin-like Calmodulin-Binding Protein）是植物特有的微管马达蛋白，具有同时结合微管和微丝的能力，调控细胞骨架动态重构和细胞形态建成。KCBP基因在豆科植物中特异发生基因加倍，并且演化出根瘤中富集表达的拷贝nKCBP来调控结瘤固氮。利用基因编辑技术获得了蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）nkcbp突变体，表现出生长缺陷（图1a）和固氮能力显著下降（图1b）。进一步对根瘤的半薄切片、超薄切片进行观察发现，野生型根瘤的侵染细胞具有典型的中央大液泡（图1c和2a），而nkcbp突变体则含有大量随机分布的未融合小液泡（图1d和2b），甚至有些侵染细胞内共生体不能分化、共生体膜加厚。运用连续超薄切片扫描电镜成像（Automatic collector of ultrathin sections scanning electron microscopy, AutoCUTS-SEM）技术，对野生型和突变体液泡结构进行了三维重构（图2）。结合活细胞成像和免疫荧光染色，证实了nKCBP具有保守的生化功能，同时结合微管和微丝。进一步发现，与野生型相比，nkcbp突变体侵染细胞中细胞骨架辐射状排布被破坏而呈现随机、无序的排布模式。综上所述，nKCBP通过调节细胞骨架动态重构来调控液泡发生和共生界面形成（图3），从而控制根瘤菌内共生与高效固氮。
图1：nkcbp突变体生长表型和共生表型分析
图2：野生型和nkcbp突变体液泡三维结构
图3：nKCBP通过调节细胞骨架动态重构来调控液泡发生和共生界面形成，从而控制根瘤菌内共生与高效固氮的工作模型
中国科学院微生物研究所助理研究员张霞霞为论文第一作者，中国科学院微生物研究所/山西农业大学孔照胜研究员为通讯作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所的薛勇彪研究员，中国科学院分子植物科学卓越创新中心的张一婧研究员，马萨诸塞大学的Dong Wang教授，华中农业大学李友国教授、陈大松副教授也参与了本项研究。
本研究得到了国家杰出青年科学基金、中国科学院战略性先导科技专项和基础研究领域青年团队计划及植物基因组学国家重点实验室自主研究课题经费的资助。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-022-01261-4
