追溯固氮结瘤的演化之路：从古老共生机制到农业可持续性应用

本综述系统阐述了根瘤共生（RNS）的演化历程，从古老的丛枝菌根共生（AMF）遗传基础到固氮结瘤的独立起源与多次丢失假说。文章聚焦于共生信号通路（CSSP）的招募、结瘤起始蛋白（NIN）的进化及根瘤形态的多样化，揭示了从放线菌根植物（actinorhiza）的原始结瘤到豆科植物（legume）的复杂共生体的演化路径。作者提出，理解这一祖先状态（basal state）的简化机制，将为非固氮作物（如谷物）的共生固氮（BNF）工程提供关键理论基础，对减少合成氮肥依赖、推动农业可持续发展具有深远意义。

　　

根瘤共生的演化背景与农业意义

氮（N）是生命必需元素，但植物无法直接利用大气中的氮气（N₂）。虽然工业固氮（Haber–Bosch法）支撑了现代农业，但其经济与环境成本高昂。生物固氮（BNF）由固氮酶（nitrogenase）催化，但该酶对氧敏感且能耗高（需32个ATP），因此需在低氧环境中运行。共生固氮（如根瘤共生，RNS）通过植物与细菌的细胞内共生，实现了氮固定的高效调控，最高可达100–300 kg N ha^?1 year^?1。然而，RNS仅存在于氮固定分支（NFC）的四个目（Fabales、Fagales、Cucurbitales和Rosales）中。将这一性状转移到谷物等作物中，是农业可持续化的关键路径。

根瘤共生的演化假说

RNS的起源时间约在1亿年前（Mya），但其演化路径存在两大假说：

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  多起源假说：认为RNS在NFC内独立演化了多次，需一个前体状态（precursor state）作为基础。该假说得到C4光合作用等多起源性状的支持，但缺乏独特的基因集证据。
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  单起源假说：主张RNS在NFC共同祖先中单次起源，后续多次丢失。这一假说更符合形态同源性（如中央维管束结构）和遗传保守性（如SYMRK和CCaMK基因的核心作用）。作者支持单起源假说，认为其更简约且能解释跨物种的共享遗传框架。

祖先形式的根瘤共生

RNS构建于更古老的丛枝菌根（AMF）共生基础上，后者起源于4.75亿年前，涉及营养获取的共生机制。RNS共用了AMF的共同共生信号通路（CSSP），包括受体识别和细胞殖民化过程。关键进化步骤包括：

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  细菌识别受体的出现：AMF产生真菌因子（Myc factors），如几丁质寡糖（chitooligosaccharides），由LYSIN-MOTIF RECEPTOR KINASE（如CERK1）识别。在RNS中，基因复制事件导致了结瘤因子（Nod factor）受体NFP的进化。放线菌根植物中的Frankia（clade 2）含有nodABC同源基因，可能产生类Nod因子信号，而NFP2受体的出现促进了细菌特异性识别。
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  细菌侵入机制的演化：AMF通过预穿透装置（PPA）和细胞质桥实现细胞内殖民。Frankia的感染类似地涉及细胞间生长和细胞质桥引导，形成被宿主膜包裹的菌丝。在豆科植物中，根毛侵入和感染线形成是主流方式，但部分类群（如Dalbergoid legumes）采用直接皮层侵入（crack entry）。细菌最终被内吞形成共生体（symbiosomes），实现高效氮固定。
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  根瘤器官的发生：营养缺乏引发的侧根发育是根瘤形成的基础。结瘤起始蛋白（NIN）由氮感应蛋白NLP进化而来，通过获得CSSP和细胞分裂素（cytokinin）响应能力，将侧根发育与共生信号耦合。actinorhizal根瘤形态类似侧根（中央维管束），而豆科根瘤通过NOOT1基因复制进化出周缘维管束（stem-like形态），体现了复杂性的增加。

氮固定在植物中的进化

根瘤的功能是支持氮固定，其机制在演化中逐步优化：

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  在actinorhizal植物中，Frankia形成泡囊（vesicles）进行固氮，宿主提供豆血红蛋白（leghemoglobin）降低氧分压。
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  豆科植物中，共生体（symbiosomes）的出现增强了宿主控制，提高了固氮效率和演化稳定性。
  固氮性状的丢失可能与大气CO₂水平下降（增加碳成本）或细菌"作弊"（不提供氮 benefit）有关。

结论与展望

RNS的初始演化可能涉及Frankia clade 2及其类Nod因子信号，与植物CSSP和侧根发育机制的耦合。这一性状在演化中通过宿主控制的加强（如共生体的形成）得以稳定，但在多数 lineage 中丢失。豆科植物的复杂根瘤代表衍生状态，而actinorhizal根瘤更接近祖先形式。未来工程策略应聚焦于核心原则：受体诱导的侧根发生和固氮环境构建，而非豆科的特化复杂性。理解这一简化机制将为作物固氮工程提供蓝图，推动农业的可持续发展。