【Plant Communications】大豆团队在植物共生固氮机制研究领域取得新进展

　　

南湖新闻网讯（通讯员 袁金红 高永康）近日，我校植物科学技术学院苏超教授、工学院刘培文研究员联合全知（武汉）科技有限公司开展校企协同攻关，在植物共生固氮机制研究领域取得突破性成果。相关研究成果以“Cell Wall Modification at the Host–Microbe Interface is Critical for Rhizobia Intracellular Colonization”为题在Plant Communications发表。研究依托自主搭建的理化纳米三维重构设备体系，首次明确阐释了大豆根部根瘤菌侵染线向菌滴转化的细胞学核心机制，揭示了该动态过程中细胞壁局部降解的调控规律，为高效、可持续生物固氮体系的研发与创制提供了全新理论依据与技术研究思路。

豆科植物与根瘤菌形成的共生固氮体系，是自然生态系统与现代农业生产中核心的生物固氮途径，对提升土壤肥力、减少化肥施用、实现绿色农业发展具有重要意义。在共生固氮建立过程中，根瘤菌通过植物根毛侵入宿主根系后，会沿植物细胞壁形成的侵染线向根瘤内部定向迁移；当根瘤菌抵达侵染线末端时，会诱导形成菌滴结构，随后通过菌滴释放至宿主植物细胞内，最终分化形成具备高效固氮功能的共生结构。

在这一完整生理过程中，菌滴是介导根瘤菌胞内定殖、完成共生建立的核心关键结构，是根瘤菌从侵染迁移到胞内定植的关键“功能出口”。长期以来，侵染线向菌滴的转化机制、宿主细胞壁在该过程中的动态调控规律尚不明确。受限于传统二维成像技术的观测局限，该过程具备动态化、立体化、微域化的特点，无法通过二维观测完整呈现，导致其细胞学基础与分子调控机制始终缺乏直接的实验证据，成为制约共生固氮机制深入研究的关键瓶颈。

针对上述科学难题，研究团队自主构建了全新的理化纳米三维结构解析技术体系，突破传统成像技术壁垒，成功实现了侵染线向菌滴转化全过程的超微结构精准捕获与三维重构，完整还原了纳米尺度下的微观动态变化过程。

三维结构解析结果明确证实，菌滴形成的核心诱因是侵染线细胞壁的特异性动态重塑。在菌滴发育过程中，侵染线基部细胞壁会率先发生局部变薄，随后逐步降解、消融，最终完成侵染线到菌滴的结构转化，该三维可视化证据直接验证了“局部细胞壁降解驱动菌滴形成”的科学假说。

研究团队进一步结合免疫荧光定位、细胞生物学观测及遗传学验证实验，阐明了核心功能酶果胶裂解酶NPL的作用机制，该蛋白通过精准介导宿主细胞壁的局部重塑与降解，特异性驱动菌滴结构发育、调控根瘤菌的胞内释放，从分子层面完善了共生固氮的核心调控通路。

本研究首次从三维超微结构视角，系统阐明了根瘤菌侵染线—菌滴转化的细胞学基础，创新性建立了“细胞壁局部重塑-菌滴形成-根瘤菌胞内定殖”的关联调控机制，填补了该领域的研究空白，为定向改良作物固氮效率、构建可持续生物固氮体系提供了全新的理论支撑与研究范式。

华中农业大学生命科学技术学院袁金红博士、植物科学技术学院博士研究生高永康为论文共同第一作者。植物科学技术学院苏超教授、工学院刘培文研究员与德国弗莱堡大学Thomas Ott教授为论文共同通讯作者。该项研究工作得到国家自然科学基金、华中农业大学校自主创新基金的专项支持。

本次研究的突破，不仅产出了重要的生物学理论成果，更实现了核心观测技术的自主创新，形成了可迭代、可复用的微观样本三维解析技术体系。研究表明，纳米尺度的生命科学突破性研究，无法单纯依赖商用标准化仪器，需要围绕核心科学问题，自主整合硬件设备、分析软件与实验流程，实现技术体系的定制化创新。

目前，刘培文研究员团队基于现有研究基础，持续推进技术迭代升级，聚焦“大尺度、超高分辨率”两大核心指标，全力构建人工智能驱动的闭环三维重构技术体系。该体系依托自主迭代的大尺幅高速扫描电镜获取高精度物理形貌数据，结合纳米红外系统识别微观区域化学特征指纹，通过硬件改造、算法优化、理化数据耦合流程创新，搭建出适配多类型生物样本的理化一体化三维重构平台。

该技术体系可在统一空间坐标系下，实现生物样本“结构解析-成分识别-机制推演”的一体化连续分析，达成近立方厘米级样本体量、1纳米级立体物理结构精度、10纳米级立体化学结构精度的超高维度解析能力，为后续植物微观生物学、微生物共生机制、病毒害侵染、复合材料结构、仿生功能结构设计与制备等领域的深度研究提供了核心技术支撑，助力全新现象与理论的发现。

【英文摘要】

Three-dimensional structural reconstruction revealed that localized cell wall degradation is essential for the transition from the infection thread (IT) to the infection droplet (ID). Specifically, NPL-mediated local pectin degradation drives this transition and promotes efficient bacterial release