sTDIF信号肽通过调控根中柱直径和初级代谢促进豆科植物共生结瘤的机制研究

本研究揭示了豆科植物与根瘤菌共生过程中一种新的发育响应机制。研究人员发现根瘤菌通过诱导sTDIF（symbiotic nodulation TDIF）信号肽的表达，调控宿主根中柱直径增大和初级代谢重编程，从而促进共生结瘤的形成。该研究首次阐明了TDIF信号肽在环境适应中的新功能，为理解植物-微生物互作中的代谢调控提供了新视角。

　　

在自然界中，豆科植物与根瘤菌的共生关系是氮循环的重要环节。这种互作不仅能形成固氮的根瘤器官，还会引发宿主根系结构的重塑。然而，长期以来人们对根瘤菌如何系统调控宿主发育的机制知之甚少。最新研究发现，根瘤菌感染会触发宿主根系中柱（stele）直径的显著增大，这一现象暗示着共生过程需要宿主血管系统的深度重构。

发表在《Current Biology》的这项研究，由Juliette Teyssendier de la Serve和Pierre Gautrat等科学家合作完成。研究团队采用多组学联用策略，结合遗传学、组织学和代谢分析等技术，以模式植物蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）和豌豆（Pisum sativum）为材料，通过比较野生型和突变体对根瘤菌的响应，揭示了TDIF信号肽在共生过程中的核心作用。

研究结果

根瘤菌诱导的中柱发育响应

通过显微观察发现，根瘤菌接种3天后就能局部诱导根系中柱直径增大，这一现象在早期分化区和结瘤区尤为明显。分裂根实验证实该响应具有局部性，且由结瘤因子（Nod factors, NFs）信号直接触发。组织学分析显示，中柱增大伴随着形成层（procambium）细胞增殖和韧皮部（phloem）分化加速。

sTDIF的共生功能鉴定

研究发现MtCLE37基因（后命名为sTDIF）在根尖、侧根原基和根瘤中高表达，且受NFs显著诱导。通过Tnt1插入突变体证实，sTDIF缺失会导致根系丧失对根瘤菌的中柱响应能力，同时结瘤数量减少40%。过表达实验则显示sTDIF能促进结瘤，表明其在共生中的正向调控作用。

代谢网络的重编程

转录组和代谢组分析揭示，sTDIF突变体在糖代谢通路出现显著紊乱：根系中蔗糖（sucrose）和肌醇（myo-inositol）积累，而谷氨酸（glutamate）和乳酸（lactate）减少；根瘤中氨基酸和有机酸含量普遍降低。通路分析显示，淀粉蔗糖代谢和甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢通路受影响最显著。

代谢物互补实验

外源施加蔗糖或苹果酸（malate）能特异性恢复sTDIF突变体的中柱响应缺陷，而谷氨酸处理无效，说明碳源分配而非氮同化物是调控血管发育的关键因素。

这项研究首次阐明了TDIF信号肽在环境适应中的新功能：通过协调血管发育和碳源分配，为共生结瘤创造有利的代谢环境。从进化角度看，豆科植物可能通过"招募"保守的TDIF/PXY调控模块，使其获得调控共生特异性发育的能力。该发现不仅拓展了人们对植物-微生物互作的认识，也为提高豆科作物固氮效率提供了新思路——通过调控宿主代谢流向来优化共生效能。研究揭示的"代谢-发育"耦合机制，可能普遍存在于其他植物-微生物共生体系中。