筑波大学生命环境系的寿崎拓哉副教授、名古屋大学研究生院理学研究科的松林嘉克教授、东京大学研究生院农学生命科学研究科的反田直之助教等人组成的研究团队发表研究成果称，发现了一类能够响应豆科植物体内氮状态并将铁集中到根瘤菌的根瘤中的肽因子（IMA肽）。研究人员利用豆科模式植物百脉根（Lotus japonicus）对这些肽进行了功能分析。结果显示，本次发现的肽因子在豆科以外的无根瘤共生植物拟南芥（Arabidopsis）中也发挥作用，并且具有响应植物体内氮增加而维持氮稳态的功能。该发现有望促进对植物环境适应机制的研究和解析。相关研究成果已于2024年1月29日发表在国际学术期刊《Nature Communications》上。
图1 LjlMA1和LjlMA2的双突变体的根瘤表型（供图：筑波大学）
与野生型个体相比，LjIMA1和LjIMA2的双突变体形成了许多小的根瘤。在根瘤内部进行铁染色后，观察到野生型植物的根瘤呈蓝色，而双突变体的根瘤几乎没有蓝色染色，表明铁含量较少。白色垂直标尺表示2mm，黑色水平标尺表示500μm。
豆科植物通过与固氮细菌的根瘤菌共生，从而获取生长所需的氮。而根瘤菌通过其携带的酶（固氮酶）进行催化，将大气中的氮转化为植物可利用的氨的形式，实现氮固定。目前虽然已知这种酶的活性中心含有铁，但不清楚植物是如何向根瘤菌提供铁的。
本次研究中，研究团队利用了豆科模式植物百脉根，分析了根瘤共生过程中响应植物体内氮状态变化的基因表达。
具体来说，研究人员对比了根瘤共生个体、无根瘤共生个体，以及没有形成根瘤的变异体个体的基因表达，并探讨了向根部传递植物体内氮状态的信号因子存在的可能性。鉴于有报告显示小分子量蛋白质可以在器官间移动，他们调查了能够响应氮状态而在地上部表达的、对小分子量蛋白质进行编码的基因。
作为调查结果，研究人员发现了由50个左右的氨基酸残基组成的IMA肽。该基因能够响应固氮能力，并在地上部分表达。此外，IMA（IRON MAN）肽在此前对于拟南芥的研究中曾有过报告，指出它与缺铁响应有关。
为了研究这类肽在百脉根体内的功能，研究人员针对现有8种IMA肽（LJIMA1～8）之中表达量较高的LjIMA1和LjIMA2培育了双基因敲除的个体，以便分析其功能。
结果发现，培育出的个体出现了根瘤尺寸减小和根瘤数量增加等异常，证实了根瘤的氮固定活性有所降低。
为了进一步探究植物体哪个部位的IMA肽至关重要，研究人员在地上部和根部分别进行了正常个体和基因敲除个体的嫁接实验。研究发现，不论在地上部分还是根部，这些肽都与根瘤共生的调控有关。
此外，基因敲除个体的异常是由于无法将铁储蓄到根瘤中而导致的，由此揭示了这些肽具有将植物个体内的铁集中到根瘤中的功能。这些肽调控的基因中还包括与铁运输有关的酶。
IMA肽在以拟南芥为代表的无根瘤共生的植物中也得到广泛保存。为了明确这些肽的功能，研究人员敲除了拟南芥和百脉根中的IMA肽，结果发现敲除后无法响应植物体内的氮增加，对生长产生了不良影响。
根据这些结果，研究明确了IMA肽在广泛的植物种类中通过调节植物体内的氮铁量平衡来维持氮稳态，并能调控植物的环境适应。
寿崎副教授表示：“如果能够人工合成出具有像这次发现的肽一样功能的肽，就有可能将其用作促进植物生长的肥料，将土壤中的铁集中到根瘤中。此外，我们还希望进一步详细研究这些IMA肽是如何将铁输送到根瘤中的，以及它们与铁的相互作用。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature Communications
论文：IMA peptides regulate root nodulation and nitrogen homeostasis by providing iron according to internal nitrogen status
DOI：10.1038/s41467-024-44865-4
