豆科植物可以通過與根瘤菌進行共生固氮作用獲得氮營養，對豆科植物共生固氮機制的研究可以為減少農業生産中的氮肥施用，變革農作物的營養獲取方式奠定理論基礎。在共生固氮過程中，根瘤菌通過侵染線進入根瘤組織，并完全進入根瘤細胞，形成類細胞器結構-共生體（symbiosome）。在不定型根瘤中，每個根瘤細胞中的共生體可以達數百個之多。在根瘤細胞中，宿主細胞會向共生體傳遞大量的調控信号。例如，豆科模式植物蒺藜苜蓿根瘤細胞會向共生體分泌700個左右的NCR多肽（Nodule Cysteine Rich Peptide）促進共生體的終極分化。終極分化是共生體獲得生物固氮能力的前提條件，這也是土壤中的根瘤菌不能固氮，根瘤細胞中的根瘤菌能夠固氮的重要原因之一。目前，根瘤宿主細胞中的調控信号如何準确傳遞到共生體中的仍然很不清楚。

2023年7月19日，2003网站太阳集团潘懷榮課題組在國際知名學術期刊《Nature Communications》上發表了題為“A signal peptide peptidase is required for ER-symbiosome proximal association and protein secretion”的研究論文，報道了根瘤特異信号肽蛋白酶BID1在調控根瘤細胞内質網-共生體信号傳遞方面的重要功能。

圖1  BID1編碼内質網定位的信号肽蛋白酶

根瘤細胞中，從内質網向共生體運輸的調控蛋白，如NCR多肽等，在它們的未成熟序列的N端會有信号肽肽段。之前的研究表明，根瘤特異的DNF1信号肽酶切複合體能夠切除信号肽肽段，确保成熟蛋白的正确折疊和轉運。通過遺傳篩選，潘懷榮課題組發現了一個蒺藜苜蓿固氮缺失型突變體bid1。bid1突變體隻能形成白色圓形的小根瘤，根瘤細胞中的共生體不能夠正常分化，呈現出和自由生長類似的狀态。圖位克隆和全基因測序發現，bid1突變體中1号染色體上臂存在突變，2号染色體上1個8857 bp的片段易位到MtrunA17_Chr1g0147151基因的5’ UTR的位置。遺傳互補表明，正是這個易位突變導緻了bid1突變體的表型。

圖2 BID1缺失導緻内質網脅迫和形态變異

BID1基因編碼信号肽蛋白酶（Signal Peptide Peptidase），功能是降解被信号肽酶切複合體切除後，殘留在内質網膜上的信号肽片段。實驗結果顯示，BID1基因在根瘤組織中被根瘤菌侵染的細胞中特異表達。熒光共聚焦顯微觀察表明，BID1蛋白特異定位在根瘤細胞的内質網膜上。缺失了BID1基因後，根瘤細胞的内質網脅迫相關基因被誘導。有意思的是，bid1突變體根瘤細胞中，内質網的形态也發生了劇烈變化。熒光共聚焦顯微觀察和透射電鏡連續切片和3D模型構建表明，野生型根瘤細胞中，内質網緊密圍繞在共生體周圍。而bid1突變體中，内質網不再是規則的網狀結構，也不能圍繞在共生體周圍。這些結果說明，BID1是内質網形态維持的重要調控元件。在此基礎上，我們發現在bid1根瘤細胞中，多個關鍵共生體調控蛋白如NCR001，NCR166，CAML1等不能夠正确分泌到共生體上。

以上結果表明，BID1是根瘤細胞中内質網-共生體信号傳遞途徑的關鍵元件，通過調控内質網上殘留信号肽片段的清除控制内質網的功能和形态結構，從而控制宿主調控蛋白向共生體的定向運輸。

BID1基因的發現，為深入研究内質網-共生體之間的結構關系和根瘤細胞内質網-共生體亞細胞運輸路徑奠定了基礎，對後續研究根瘤細胞特異的亞細胞運輸網絡、高通量發掘宿主向根瘤菌分泌的調控具有重要意義。

圖3 BID1參與内質網重構和蛋白分泌模式圖

2003网站太阳集团博士生楊劍是論文第一作者，潘懷榮教授是論文通訊作者。蘭州大學陳汝進教授、陳玉輝副教授、鄭州煙草研究院翟妞研究員，潘懷榮教授課題組碩士生王盧英對本論文有重要貢獻。本研究得到了國家自然科學基金面上項目（31870221、32070271）、中國-土耳其國際合作研究項目（32161133006）和長沙市科技計劃項目（kq2004026）的資助。

Nature Communications原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40008-3。

撰文：楊劍、潘懷榮