GmNIGT2a/2b 介导的转录级联缓解高氮诱导的大豆根瘤衰老

《Journal of Genetics and Genomics》：GmNIGT2a/2b-mediated transcriptional cascade buffers high-nitrogen-triggered nodule senescence in soybean

　　

摘要

土壤无机氮（N）的有效性是共生固氮效率的关键决定因素，这使得豆科植物能够适当且有效地响应 N 波动至关重要。在这里，我们鉴定出一对高 N 响应因子 GmNIGT2a/2b（硝酸盐诱导的 GARP 型转录抑制因子）。GmNIGT2a/2b 在高 N 条件下被 GmNLP4a/b（NIN 类似蛋白）激活。gmnigt2a/2b 双突变体的根瘤在响应高 N 时表现出固氮酶活性加剧下降和衰老加速。整合 RNA-seq 和 DAP-seq 分析表明，GmNIGT2a/2b 负调控一组核心 N 诱导基因，包括 NAC、WRKY 和 bZIP 转录因子以及海藻糖代谢基因。GmNIGT2b 结合到 SNAP3 和 NAC039 的启动子上并抑制其表达，从而延缓根瘤衰老。我们的结果表明，GmNIGT2a/2b 介导的转录调控防止了对高 N 响应的过度根瘤衰老，突出了根瘤环境适应中转录重编程的复杂性。

引言

共生固氮（SNF）满足豆科植物巨大的氮（N）需求并改善土壤肥力，使其成为现代可持续农业的重要组成部分（Zhu et al., 2005; Barbosa et al., 2018; Jhu and Oldroyd, 2023; Zhong et al., 2024）。高 N 触发 N 响应基因的广泛转录重编程，导致结瘤和根瘤功能的抑制（Wang et al., 2023b; Zhou et al., 2024）。因此，阐明高 N 响应网络将有助于制定平衡 SNF 与无机氮肥应用的策略。

高 N 抑制根瘤数量和根瘤发育（Nishida and Suzaki, 2018; Oldroyd and Leyser, 2020; Lin et al., 2021; Qiao et al., 2024）。NIN 类似蛋白（NLP）转录因子（TFs），包括大豆中的 GmNLP1 和 GmNLP4，Lotus japonicus 中的 LjNLP4，以及 Medicago truncatula 中的 MtNLP1，在高 N 下通过诱导结瘤负调控因子的表达同时抑制正调控因子来负调控结瘤（Lin et al., 2018; Nishida et al., 2018; Fu et al., 2024）。在成熟根瘤中，暴露于高 N 后固氮酶活性迅速受到抑制，伴随着根瘤衰老加速和向根瘤的碳（C）分配受限（Murray et al., 2017; Nishida and Suzaki, 2018）。NAC 家族 TFs，包括大豆（Glycine max）中的 SNAP1/2/3/4 和 L. japonicus 中的 NAC094，调控高 N 触发的转录网络并诱导根瘤衰老相关基因的表达（Wang et al., 2023a; Wang et al., 2023b）。NAC039 和 GmNAC018 直接激活木瓜蛋白酶样半胱氨酸蛋白酶基因以促进大豆根瘤衰老（Yu et al., 2023）。此外，高 N 降低根瘤中的锌浓度，激活 FIXATION UNDER NITRATE (FUN)，从而启动根瘤衰老和降解途径（Lin et al., 2024）。

植物转录抑制因子的经典模型主要强调二元开/关控制或稳定的负反馈环（Payankaulam et al., 2010）。通过抑制活跃表达的基因，这些抑制因子形成反馈和前馈环，防止代谢浪费和由不受控制的应激反应引起的自我损伤（Maldonado et al., 1999; Reynolds et al., 2013），使植物能够在波动的环境中优化资源利用。高 N 诱导的转录重编程受无机氮有效性的微调。然而，转录抑制因子如何在高 N 下介导成熟根瘤中 SNF 的有效和适当调控仍然不清楚（Wang et al., 2023b; Qiao et al., 2024）。

硝酸盐诱导的 GARP 型转录抑制因子（NIGT）在调节植物的 N 和磷（P）吸收及稳态中发挥重要作用（Lv et al., 2023; Ueda and Yanagisawa, 2023; Zhang et al., 2023）。以 NIGTs 为中心的转录级联反应调节对 N 波动的 N 吸收反应，对于维持 N 稳态至关重要（Maeda et al., 2018; Wang, X. et al., 2020; Zhuo et al., 2024）。在本研究中，我们发现 GmNIGT2a/2b 响应高 N 而被 GmNLP4a/b 激活。反过来，GmNIGT2a/2b 抑制包括 SNAP3 和 GmNAC039 在内的 GmNACs，从而减轻高 N 触发的成熟根瘤衰老和固氮酶活性下降。该级联反应最终防止了对高 N 的过度反应。

章节摘要

GmNIGT2a/2b 以 NLP 依赖的方式被高 N 诱导

我们之前构建了成熟大豆根瘤的 N 响应共表达网络（Wang et al., 2023b），其中 GmNIGT2a (Glyma.10G204200) 和 GmNIGT2b (Glyma.20G186500) 被鉴定为高 N 诱导基因（图 S1）。实时荧光定量 PCR (RT-qPCR) 测定验证了两个旁系同源基因在第 3 天和第 5 天高 N 下均显著上调（图 1A 和 1B）。GUS 报告基因染色和 RT-qPCR 测定显示 GmNIGT2a 和 GmNIGT2b 是

讨论

为了最小化不必要的碳投入，当土壤 N 水平增加并满足宿主植物的 N 需求时，根瘤 N 响应转录网络抑制 SNF（Wang et al., 2023b; Zhou et al., 2024）。在哺乳动物中，防止过度反应的制动机制已被充分表征（Brodin and Davis, 2017; Robson et al., 2017）。鉴于根瘤 SNF 在短期 N 波动下的恢复力，我们提出高 N 响应不仅仅是单向抑制

植物材料与生长条件

大豆种子通过暴露于氯气中 1 小时进行表面灭菌，并在湿润的蛭石上发芽。发芽五天后，幼苗接种稀释至 OD₆₀₀ 为 0.1 的 Bradyrhizobium sp. BXYD3，然后转移到水培中。基础营养液的成分如前所述（Wang et al., 2023b）。高 N 溶液补充了 2.4 mM Ca(NO₃)₂、3.8 mM KNO₃ 和 1 mM (NH₄)₂SO₄，使总 N 浓度达到 10.6

未引用参考文献

Wang et al., 2020.

数据可用性

本研究产生的 RNA-seq 和 DAP-seq 原始序列数据已存入中国国家生物信息中心（https://www.cncb.ac.cn/），登录号为 PRJCA071017。

CRediT 作者贡献声明

Tianli Ge：调查、方法论、验证、数据整理、写作 - 初稿。Xiaolei Yao：调查、方法论、验证。Yuan Li：调查、方法论。Xin Wang：方法论、数据整理。Suning Li：调查。Fang Xie 和 Zhichang Chen：概念化、资源、监督。Yuefeng Guan：概念化、监督、验证、写作 - 审阅与编辑。

利益冲突

作者声明无竞争利益。

致谢

我们要感谢中国科学院庐山植物园江西省植物迁地保护与利用重点实验室的黄明坤提供 ChIP-qPCR 技术支持。本工作得到了国家自然科学基金 - 区域创新联合基金重点项目（U25A20673）和国家自然科学基金（32472163）资助（授予 Y.G.）。

Tianli Ge|Xiaolei Yao|Yuan Li|Xin Wang|Suning Li|Fang Xie|Zhichang Chen|Yuefeng Guan