《Journal of Genetics and Genomics》：Regulatory divergence of duplicated VIH genes links phosphate signaling to nodule development in
Medicago truncatula
编辑推荐：
摘要初级代谢物及其衍生物通常作为细胞内的信号分子。肌醇焦磷酸是磷酸信号传导的核心调节因子，但它们在豆科植物根瘤形成中的作用仍不明确。在这里，我们在Medicago truncatula中发现了两个保守的Vip1同源物/二磷酰肌醇五磷酸激酶基因MtVIH1和MtVIH2。生化分析表
摘要
初级代谢物及其衍生物通常作为细胞内的信号分子。肌醇焦磷酸是磷酸信号传导的核心调节因子，但它们在豆科植物根瘤形成中的作用仍不明确。在这里，我们在Medicago truncatula中发现了两个保守的Vip1同源物/二磷酰肌醇五磷酸激酶基因MtVIH1和MtVIH2。生化分析表明，这两种激酶的活性域仍保持PP-InsP激酶的活性。然而，转录组和表达分析显示这两个基因之间存在调控差异：MtVIH2在根瘤形成期间被优先诱导，并与磷酸饥饿标记基因Mt4共同表达。沉默MtVIH2会减少根瘤的形成、固氮酶的活性以及成熟根瘤的标记基因表达，并改变根瘤中可提取的无机磷（Pi）的积累。同样，CRISPR/Cas9介导的MtVIH2编辑也会产生这些缺陷，而Mtvih1-cas9的编辑效果较弱，Mtvih1/2-cas9编辑的根系表现与Mtvih2-cas9相似。这些结果表明，重复的VIH基因之间的调控差异导致MtVIH2在根瘤发育中起主导作用。启动子分析和萤光素酶实验显示，P1BS元件参与了MtVIH2启动子的激活。综上所述，这些发现揭示了重复VIH基因的调控差异，并表明保守的磷酸响应机制参与了Medicago truncatula的根瘤发育和固氮作用。
引言
磷酸（Pi）的可用性对植物的生长和发育至关重要。在植物中，Pi信号传导主要由PHOSPHATE STARVATION RESPONSE（PHR）转录因子和SPX结构域蛋白调控（Bustos等人，2010；Lv等人，2014；Puga等人，2014；Wang等人，2014）。肌醇焦磷酸，特别是1,5-双（二磷酸）肌醇六磷酸（1,5-InsP8），作为细胞内信号分子发挥作用（Wild等人，2016；Giehl和Schaaf，2026）。这些分子由双功能Vip1同源物/二磷酰肌醇五磷酸激酶（VIH/PPIP5K）酶合成和转化，影响SPX-PHR相互作用，从而调节Pi饥饿响应基因（Dong等人，2019）。除了磷酸稳态外，植物中的VIH蛋白还参与茉莉酸信号传导和应激反应（Laha等人，2015；Shukla等人，2021），表明它们可能在特定的生理环境中整合营养和发育信号。
豆科植物与根瘤菌的共生关系最终形成根瘤，这些特化器官容纳了固氮根瘤菌并维持共生固氮作用（Oldroyd和Downie，2008）。根瘤的发育需要广泛的代谢重组，包括协调的碳分配、营养运输以及与固氮酶活性相关的高ATP需求（Udvardi和Poole，2013）。磷特别重要，因为含Pi的代谢物和ATP是根瘤代谢和固氮所必需的。因此，磷的可用性显著影响根瘤的发育和固氮酶的活性（Schulze等人，2006；Dokwal等人，2021），根瘤能够主动调节磷的分配和回收（Dokwal等人，2021），并且在根瘤形成或磷限制条件下会诱导磷酸饥饿相关或磷酸代谢相关基因（Nasr Esfahani等人，2017；Xue等人，2018）。然而，高磷需求并不一定意味着有大量的游离无机Pi，因为Pi可以迅速转化为ATP、核苷酸、磷酸化代谢物和膜成分。这些发现表明，磷酸信号传导被整合到了共生发育过程中。
最近的研究进一步表明，SPX-PHR模块参与共生调节。M. truncatula中的MtPHR2和MtSPX蛋白调节磷酸饥饿反应和根瘤相关过程（Wang等人，2026），而Phaseolus vulgaris中的一种PHR样调节因子通过调控根瘤形成调节因子NIN来关联磷缺乏与根瘤减少（Singh等人，2025）。然而，上游代谢信号如何调节根瘤组织中的PHR依赖性转录仍然不清楚。由于VIH/PPIP5K酶合成并转化肌醇焦磷酸以调节SPX-PHR信号传导，它们可能是磷酸响应信号传导和根瘤发育之间的潜在纽带。
在这里，我们研究了模式豆科植物Medicago truncatula中重复的VIH同源物。我们发现了两个保持保守VIH结构域和组织特征的同源物MtVIH1和MtVIH2》。生化分析进一步证明，这两个激酶的活性域仍保持PP-InsP激酶的活性。转录组、qRT-PCR和单细胞转录组分析显示，MtVIH2在根瘤形成期间的诱导强度高于MtVIH1，并与磷酸响应基因表达和感染根瘤组织相关。对其他肌醇磷酸途径相关基因的表达分析显示， several途径成分在根瘤形成期间被诱导，其中MtVIH2的诱导最强，支持肌醇磷酸代谢与共生发育之间的关联。沉默MtVIH2的表达会损害根瘤发育和固氮相关表型，CRISPR/Cas9介导的MtVIH2编辑也证实了这些缺陷。值得注意的是，MtVIH1的破坏作用很小，而Mtvih1/2-cas9的表现与Mtvih2-cas9相似，表明MtVIH2是根瘤形成期间的主要功能同源物。最后，启动子-GUS和根瘤菌lacZ双染色分析将MtVIH2的启动子活性与感染组织和固氮区组织联系起来，转激活实验发现P1BS元件参与了MtPHR1依赖性的激活。综上所述，我们的结果揭示了重复VIH基因的调控差异，并表明保守的磷酸信号成分参与了根瘤发育和固氮作用。
节片段
MtVIH1和MtVIH2是保守的VIH同源物
为了研究植物肌醇焦磷酸激酶的进化关系，使用来自代表性 Liverworts、苔藓、单子叶植物、双子叶植物和豆科植物的全长VIH同源物构建了最大似然系统发育树，以酵母ScVIP1作为外群。分析显示，基干Liverworts中只有一个可检测到的VIH同源物，而苔藓Physcomitrella patens中有两个VIH同源物，这表明VIH基因的复制发生在陆生植物早期
讨论
MtVIH1和MtVIH2编码典型的植物VIH/PPIP5K蛋白，每个蛋白都包含保守的激酶和磷酸酶结构域。其预测结构和生化实验进一步表明，这两个同源物保持了保守的催化特征和PP-InsP激酶活性（图1B和1C）。因此，这两个同源物之间的差异不太可能是由于它们的核心酶学性质发生重大变化所致。相反，我们的结果指向转录和空间调控是主要的
RNA-Seq分析
从NCBI Sequence Read Archive获取了M. truncatula根部和根瘤的公共RNA-seq数据，访问号为SRP110143。使用DESeq2包进行了差异表达分析。将调整后的假发现率（FDR）< 0.01且绝对log2倍数变化（|Log2FC|）> 1的基因定义为差异表达基因（DEGs）。
在三个根瘤形成阶段（10, 14, 和 28 dpi）相对于根部上调的DEGs包括
数据可用性
本研究的支持数据包含在文章及其补充文件中。本研究没有生成新的原始测序数据集。本研究中分析的公共RNA-seq数据集来自NCBI Sequence Read Archive，访问号为SRP110143。
CRediT作者贡献声明
Boyu Zhao：概念化、方法学、研究、验证、可视化、正式分析、数据管理、初稿撰写、审稿与编辑。Yihan Zhang：研究、正式分析、数据管理。Junjie Ye：研究、资源管理、数据管理。Meixi Li和Hsihua Wang：研究、数据管理。Yang Zhang：概念化、资源管理、项目监督、审稿与编辑。
致谢
本工作得到了中央高校的基础研究基金（SCU2026D003）的支持。
Boyu Zhao|Yihan Zhang|Junjie Ye|Meixi Li|Hsihua Wang|Yang Zhang
