近日，华中农业大学李霞教授团队在Nature Communications期刊发表了题为“A Phytosulfokine signaling module activates the Nod factor receptor to control soybean nodulation”的研究论文。团队在大豆中鉴定到可直接磷酸化并激活结瘤因子受体GmNFR1α的上游激酶GmPSKR1a，揭示了GmSBT1.2s-GmPSK4s-GmPSKR1s信号模块通过激活GmNFR1α调控大豆结瘤的分子机制。
华中农业大学在读博士生卢静静、博士后陈嘉欢为本文共同第一作者，李霞教授、王志娟副教授为本文通讯作者。
图1. GmSBT1.2b和GmSBT1.2d正向调控大豆结瘤
研究者首先通过转录组分析筛选到一类受根瘤菌诱导、编码枯草杆菌蛋白酶的基因GmSBT1.2s（包含GmSBT1.2a、GmSBT1.2b、GmSBT1.2c、GmSBT1.2d）。基因表达模式分析结果显示，GmSBT1.2s在根瘤菌侵染早期被快速诱导表达，其中GmSBT1.2b与GmSBT1.2d在根瘤组织中高水平表达，且该类基因的表达受GmNINs调控。基因功能分析表明，GmSBT1.2s正向调控结瘤，其中GmSBT1.2b和GmSBT1.2d发挥主要作用。进一步研究证实，GmSBT1.2b/1.2d通过促进根瘤菌早期侵染与根瘤原基的形成，在共生信号建立、根瘤器官发育过程中发挥关键作用，能够显著提升大豆的共生固氮效率。
图2. GmSBT1.2b切割GmPSK4a
枯草杆菌蛋白酶可作为“分子剪刀”，通过切割原蛋白、促进蛋白成熟来发挥作用。研究人员通过体内外切割实验证实，GmSBT1.2b能够切割植物磺基多肽GmPSK4a。GmPSK4a及其高同源基因GmPSK4b被根瘤菌诱导，并在根瘤中高表达。功能分析结果表明，GmPSK4a和GmPSK4b对大豆结瘤发挥正向调控作用。为明确GmSBT1.2b/1.2d与GmPSK4a/4b的遗传关系，研究人员分别在Gmsbt1.2b/1.2d突变体中过表达GmPSK4a、在Gmpsk4a/4b突变体中过表达GmSBT1.2b，发现两种情况下均不能促进结瘤，证明GmSBT1.2s与GmPSK4s相互依赖、协同调控大豆结瘤。此外，外源施加PSK肽能够恢复Gmsbt1.2b/1.2d和Gmpsk4a/4b突变体的结瘤能力。综合以上结果，该研究证实了GmSBT1.2b/1.2d与GmPSK4a/4b对结瘤的正向调控作用依赖于GmSBT1.2b/1.2d介导的GmPSK4a/4b蛋白加工及成熟PSK肽的释放，揭示了枯草杆菌蛋白酶介导的PSK肽成熟通路在大豆结瘤调控中的关键机制。
PSK肽需要结合自身受体才能发挥生物学功能。研究人员鉴定出GmPSK4a/4b对应的受体基因为GmPSKR1a/1b/1c。功能分析结果表明，GmPSKR1a/1b/1c能够显著促进大豆结瘤，且该调控功能部分依赖于GmPSK4a/4b。后续蛋白互作实验证实，GmPSKR1a可与结瘤因子受体GmNFR1α的胞内激酶域互作，且该互作可被外源PSK肽显著增强，这说明GmPSK4可能通过促进GmPSKR1a与GmNFR1α的互作促进结瘤。
图3 GmPSKR1a与GmNFR1ɑ相互作用并激活其激酶活性
鉴于GmPSKR1a属于激酶蛋白，研究者进一步探究GmPSKR1a能否对GmNFR1α发生磷酸化修饰。体外磷酸化实验结果显示，GmPSKR1a与GmNFR1α能够相互磷酸化；GmPSKR1a能够显著提升GmNFR1α对其底物GmGEF2a的磷酸化效率。当GmNFR1α突变为无法被GmPSKR1a磷酸化的突变体mGmNFR1α后，该基因互补GmNFR1α突变体nod49结瘤的能力大幅降低。综合上述实验结果，该研究解析了一条新的调控大豆结瘤的通路：GmPSKR1a感知PSK信号后，可直接磷酸化并激活结瘤因子受体GmNFR1α，进而提升结瘤信号转导效率，正向调控大豆共生结瘤过程。
综上所述，该研究揭示了NF信号通路中一种全新的正反馈调控机制：GmNFR1α及其共受体感知NFs后，通过磷酸化下游因子，最终激活GmNINs的转录；GmNINs进一步诱导GmSBT1.2b、GmSBT1.2d等效应基因表达。GmSBT1.2b/1.2d通过加工GmPSK4a/4b前体蛋白，产生PSK肽。PSK 肽被受体GmPSKR1a识别后，该激酶磷酸化并激活GmNFR1α；活化后的GmNFR1α可促进GmNINs的表达，启动下一轮GmSBT1.2b/1.2d的激活。GmPSKR1a对GmNFR1α磷酸化修饰可能介导第二波信号的传导，从而形成一个正反馈回路，强化并放大结瘤效应。
图4 植物磺基肽素信号模块激活结瘤因子受体调控大豆结瘤的工作模型
该研究首次证实，PSK信号通路是结瘤起始阶段必不可少的调控环节，其受体GmPSKR1可与结瘤核心受体GmNFR1ɑ在蛋白层面发生物理互作。这种受体间直接协同的调控模式，为解析植物整合内源发育信号与外源微生物信号的分子机制提供了全新的分子模型。本次研究成果为更精准、更智能的调控共生固氮提供了一系列全新的、可操作的靶点（如GmSBT1.2蛋白酶、GmPSK4、GmPSKR1受体等），也为从“设计固氮作物”转向“智能调控固氮”提供了坚实的理论基础和遗传资源。
本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和湖北省自然科学基金项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-74586-9
英文摘要：The rhizobia-legume symbiosis, essential for nitrogen fixation, is initiated through Nod Factor (NF) perception by the NF receptors (NFRs). However, the mechanisms regulating NFR activity remain poorly defined. Here, we identify a NODULE INCEPTION 1 (GmNIN1)- Subtilisin-like Protease 1.2 (GmSBT1.2) - Phytosulfokine 4 (GmPSK4) - Phytosulfokine Receptor 1 (GmPSKR1) signaling module that directly activates the GmNFR1ɑ to promote nodulation in soybean. We demonstrate that GmNIN1a specifically activates GmSBT1.2b/1.2d, which are important for nodulation. GmSBT1.2b cleaves the proprotein of the phytosulfokine peptide GmPSK4a into mature form. Knockout of GmPSK4a and its homolog GmPSK4b severely impairs nodulation. Genetic analyses confirm the functionally interdependency of GmSBT1.2b/1.2d and GmPSK4a/4b. GmPSKR1a/1b/1c, identified as GmPSK4 receptors, are beneficial to nodulation. Notably, GmPSKR1a physically interacts with GmNFR1ɑ and enhances its kinase activity. Thus, the activation of GmNFR1ɑ by GmPSKR1a is important to its role in initiating NF signaling. Our findings uncover a previously unknown regulatory mechanism that controls the core NF signaling, providing fundamental insights into the governance of symbiotic nitrogen fixation.
