豆科植物与根瘤菌的结瘤共生固氮体系是自然界中固氮效率最高、农业生产应用最为广泛的生物固氮系统，对保持农业以及自然生态系统中的初级生产和碳汇有重要意义。共生固氮消耗的能量主要来源于光合作用所固定的碳水化合物，然而，豆科植物如何依据光合产物供应情况调整根瘤固氮反应速率的分子机制尚待揭示。近期，河南大学研究团队于2022年12月2日在《Science》杂志上发表题为“Phosphoenolpyruvate reallocation links nitrogen fixation rates to root nodule energy state”的研究论文，揭示了大豆响应碳源供给调控根瘤固氮效能的分子机理。
研究团队在大豆中鉴定了一对在根瘤特异高表达的能量感受器蛋白GmNAS1和GmNAP1。研究发现，GmNAS1可以直接结合AMP从而与GmNAP1在线粒体膜上形成异源二聚体，在碳源供应增加导致根瘤能量状态上升时，AMP含量降低，促使GmNAS1-GmNAP1异源二聚体解离，形成GmNAS1-GmNAS1和GmNAP1-GmNAP1同源二聚体，之后形成的同源二聚体会与一个转录因子GmNFYC10a互作并将其锚定到线粒体上，从而减少细胞核中的GmNFYC10a水平，抑制丙酮酸激酶基因表达，进而减少了磷酸烯醇式丙酮酸向丙酮酸的转化，使更多磷酸烯醇式丙酮酸转化为草酰乙酸和苹果酸，从而增强类菌体的碳源供应和根瘤固氮能力。
这项研究为设计合成高效利用碳源的共生固氮系统提供了重要依据，为高效固氮作物的分子设计提供了新的思路。
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