花生结瘤特异性基因AhPUGN1.1通过钙信号与细胞分裂素通路正向调控根瘤固氮

本研究揭示了花生(Arachis hypogaea)中独特的结瘤调控基因AhPUGN1.1的功能机制。针对豆科植物共生固氮效率提升的科学难题，山西农业大学团队通过基因沉默、过表达和CRISPR-Cas9技术证实，AhPUGN1.1通过激活Nod因子信号通路关键基因（AhCCaMK/AhNIN等）和调控钙离子(Ca2+)/细胞分裂素信号网络，显著提高根瘤数量（增加约2倍）和固氮酶活性（提升35%），为豆科作物遗传改良提供新靶点。

　　

在农业生产中，豆科植物与根瘤菌的共生固氮关系被誉为"绿色氮肥工厂"，能为宿主提供60%以上的氮需求。然而，花生这类通过"裂解侵入"(crack-entry)模式形成根瘤的作物，其分子调控机制远不如大豆等"侵染线侵入"模式研究透彻。尤其令人困惑的是，为何不同花生品种的结瘤效率存在显著差异？这个谜团的答案可能隐藏在那些尚未被发现的结瘤特异性基因中。

山西农业大学的何海通团队在《aBIOTECH》发表的研究，首次鉴定到花生特有的结瘤正调控因子AhPUGN1.1。这个基因的启动子区域含有4个保守的NODCON2GM顺式元件，其编码蛋白具有典型的核定位信号（NLS），暗示其可能作为转录调控因子发挥作用。研究人员通过农杆菌介导的毛根转化系统，结合RNA干扰(RNAi)、过表达和CRISPR-Cas9基因编辑三大技术平台，构建了系列遗传材料。乙酰还原酶法(ARA)测定氮酶活性，激光共聚焦确认亚细胞定位，RNA-seq解析转录调控网络，系统揭示了该基因的分子功能。

AhPUGN1.1在花生结瘤过程中差异表达
时空表达分析显示，AhPUGN1.1在接种根瘤菌后12小时表达量达到峰值，较未接种组提高8倍。启动子驱动的GUS报告系统证实，该基因在根瘤原基、幼嫩根瘤和成熟根瘤的侵染区持续活跃。尤为关键的是，同源基因AhPUGN1.2-1.4均未表现出类似的诱导表达模式，凸显其功能独特性。

AhPUGN1.1正向调控花生结瘤
遗传证据令人信服：过表达株系的根瘤数量增加58%，鲜重提高42%，氮酶活性增强35%；而RNAi沉默株系和CRISPR敲除株系则分别减少结节数65%和72%。值得注意的是，该基因对根系构型参数（侧根数、根长等）无显著影响，说明其功能具有结瘤特异性。

AhPUGN1.1通过Nod因子信号通路调控结瘤
分子机制研究表明，AhPUGN1.1能显著激活经典结瘤信号通路基因，包括钙调蛋白激酶AhCCaMK（上调3.1倍）、结瘤起始因子AhNIN（上调2.8倍）和早期结瘤素AhENOD40（上调2.3倍）。同时，参与裂解侵入的关键基因AhCYP735A（细胞分裂素羟化酶）和AhSYMRK（共生受体激酶）表达量也受其正向调控。

比较转录组揭示调控网络
RNA-seq分析发现，敲除株系中13,196个基因表达异常，其中"氮素饥饿响应"和"细胞表面受体信号"通路显著富集。特别值得注意的是，钙信号相关基因（如CDPK、CNGC）和细胞分裂素信号组分（RR家族、AHK1）表达紊乱，这可能是AhPUGN1.1调控结瘤的核心机制。

这项研究建立了AhPUGN1.1-Ca²⁺/细胞分裂素-Nod信号轴的调控模型：当根瘤菌分泌的Nod因子被植物感知后，AhPUGN1.1通过增强CCaMK介导的钙振荡信号传递，同时协同细胞分裂素信号转导，共同激活下游结瘤相关基因的表达。该发现不仅填补了裂解侵入式结瘤分子机制的认知空白，更为重要的是，AhPUGN1.1作为花生特有基因，为培育高效固氮的花生新品种提供了专属分子标记。研究者特别指出，该基因在维持"免疫-共生"平衡方面可能具有双重功能，这为理解根瘤菌与宿主的协同进化提供了新视角。