Plant Cell︱华中农业大学曹扬荣团队揭示大豆半胱氨蛋白酸酶通过剪切结瘤素蛋白介导根瘤衰老的新机制

撰文︱课题组

责编︱王思珍

根瘤的形成及其固氮过程是豆科作物氮素的重要来源。而根瘤一旦进入衰老阶段，植物的氮素供应也随之下降。以大豆为例，根瘤衰老往往发生在始荚期，根瘤固氮能力的下降可能影响大豆籽粒发育。已有的研究表明，半胱氨酸蛋白酶（Cysteine proteases, CYPs）与衰老过程密切相关，通常被认为是根瘤衰老的标志基因。虽然半胱氨酸蛋白酶被认为是细胞衰老过程中蛋白质降解的“执行者”，但其在根瘤衰老中的具体生理功能，以及直接作用的底物，仍不清楚。这一空白也限制了人们对根瘤衰老调控网络的认识。

近日，华中农业大学生物固氮团队联合江西省农业科学院大豆团队在《The Plant Cell》上发表了题为"Nodulin cleavage by the cysteine protease CYP35promotes soybean rootnodule senescence"的研究论文，揭示了半胱氨酸蛋白酶通过直接降解结瘤素蛋白家族介导大豆根瘤衰老的分子机制。

围绕上述领域瓶颈，研究团队在前期已鉴定到大豆GmNAC039及其旁系同源基因GmNAC018是大豆根瘤衰老的关键转录调控因子，可直接激活多个半胱氨酸蛋白酶GmCYPs基因表达并促进衰老(Yu et al., 2023)。进一步发现植物激素乙烯是诱导根瘤衰老的重要激素，受乙烯激素诱导的AP2/ERF转录因子GmENS1/2通过激活GmNAC039家族基因表达进而加速根瘤衰老(Xiao et al., 2024)。然而，GmCYPs介导根瘤衰老的分子机制仍然未知。

研究团队鉴定到一个与大豆CYP35互作的结瘤素蛋白家族，该亚家族包含8个成员（NEN1-NEN8，Nodule-Enriched Nodulin proteins）。遗传学实验表明，大豆NEN的多基因突变体，nen2 nen4nen6nen7、nen2nen5nen6nen7和nen2 nen4 nen5 nen6 nen7与对照相比均表现出固氮酶活下降、豆血红蛋白表达量显著降低的根瘤早衰表型。在根瘤中特异性过表达NEN2或NEN5结瘤素基因，能显著延缓根瘤衰老。进一步通过体外生化实验表明，Cys-149是CYP35蛋白酶活性的关键位点，CYP35可以直接剪切多个NEN蛋白。以上结果表明，CYP35通过直接剪切并降解NEN类结瘤素蛋白，从而促进根瘤衰老。同时，过表达NEN5的转基因大豆还表现出百粒重和种子蛋白含量增加，暗示调控根瘤衰老可影响产量性状，可能是作为作物遗传改良的一个候选基因。

文章总结图

原文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koag123

华中农业大学已毕业博士吴佳姗（现为江西省农业科学院作物研究所助理研究员）和华中农业大学博士研究生王未匀为本文共同第一作者，曹扬荣教授为通讯作者。华中农业大学郭晓黎教授、朱辉副教授、以及江西省农业科学院作物研究所郭兵福研究员对本研究提供了宝贵建议，华中农业大学关郁欣、董汝、段炎、肖爱芳、李昊星参与课题研究。该研究得到了国家重点研发计划、江西省农业科学院基础研究与人才培养项目等项目资助。