豆科植物能夠通過與根瘤菌的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氮肥施用、降低農業溫室氣體排放提供新的思路。共生固氮發生于豆科植物特有的器官-根瘤。在根瘤組織中，根瘤菌完全進入植物細胞，形成類細胞器結構-共生體（symbiosome）。在一些形成不定型根瘤（有根瘤分生組織存在的根瘤）的豆科植物中，宿主會向共生體傳遞大量調控信号來促進共生體的終極分化（terminal differentiation）。終極分化狀态下，共生體發生内複制，基因組拷貝數顯著增多，同時失去繁殖能力。更關鍵的是，終極分化共生體的基因表達和代謝模式會發生重大變化，固氮還原酶基因被高度激活，從而獲得生物固氮能力。是否發生終極分化是自由生長根瘤菌和根瘤細胞共生體的最典型區别，也是共生體能夠固氮而自由生長根瘤菌不能固氮的根本原因之一。
終極分化代表着宿主細胞對共生體的精準管理達到了前所未有的新高度。根瘤特異表達的NCR多肽（Nodule Cysteine Rich Peptide）是共生體終極分化的核心調控元件。NCR多肽的序列有着鮮明的特征：初生多肽的N端有着保守的信号肽序列，信号肽被處理後NCR多肽會被運輸到共生體中發揮功能；成熟NCR多肽序列中存在4個或6個保守的半胱氨酸位點。豆科植物基因組中NCR多肽的數目往往異常衆多，豆科模式植物蒺藜苜蓿基因組一共編碼700個左右的NCR多肽。NCR多肽的發現是過去10多年豆科植物共生固氮領域的重大進展之一。但是，學術界對NCR多肽的認識還有很多矛盾之處。例如，在蒺藜苜蓿中，大多數NCR多肽在根瘤固氮區（共生體完成終極分化後進行固氮反應的區域）特異表達，這與NCR多肽調控共生體分化的論點并不一緻。固氮區特異表達的NCR多肽是行使何種功能呢？
近日，2003网站太阳集团潘懷榮教授課題組在植物學國際知名期刊《New Phytologist》上發表論文，報道了蒺藜苜蓿NCR343在調控終極分化後共生體存活方面的重要功能。
通過正向遺傳學方法，潘懷榮課題組發現了一個蒺藜苜蓿固氮缺失型突變體debino1。debino1突變體隻能形成小的白色根瘤（正常根瘤由于大量表達豆血紅蛋白呈粉紅色），對根瘤細胞進行表型分析發現，debino1突變體發生嚴重的早衰。通過圖位克隆和遺傳互補發現，debino1突變體基因組6号染色體上存在着164 Kb的缺失，缺失片段中一個之前沒有被報道過的NCR多肽編碼基因NCR343是突變體的目的基因。
作為一個典型的NCR多肽，NCR343的蛋白序列中含有4個保守的半胱氨酸。表達模式分析發現，NCR343主要在根瘤固氮區表達。通過嚴格的細胞生物學觀察，作者們發現NCR343會被分泌到共生體上，而且可能主要定位在Symbiosome Space（共生體中類菌體與共生體膜之間的間隔區域）中。
為了探究NCR343的功能，作者們對debino1突變體中共生體的分化和存活情況進行了詳細的分析。流式細胞儀分析結果表明，在共生體侵染和分化的早期，debino1突變體根瘤細胞中的共生體分化程度和存活狀态與野生型非常類似。而在達到終極分化狀态後，debino1根瘤細胞中的共生體會迅速發生衰亡。這個結果證明了NCR343是終極分化狀态下共生體存活的重要調控蛋白。
為了進一步探究了NCR343調控分化後共生體存活的機制，作者們對根瘤細胞中的共生體進行了分離，并對共生體進行了全基因組RNA-Seq分析，結果表明，debino1共生體中，大量與脅迫應激反應相關的基因被激活表達，甚至還包含一些與氮信号響應相關的基因。同時，借助化學合成的NCR343多肽進行IP-MS實驗發現，NCR343主要與一些脅迫應激反應相關的共生體蛋白發生直接互作。這些結果說明，NCR343通過調控共生體的脅迫應激反應促進共生體的存活。
綜上所述，作者們通過正向遺傳學方法發現NCR343直接調控根瘤細胞中共生體在終極分化狀态下的存活。NCR343的發現幫助打破了NCR多肽功能高度冗餘，單個NCR多肽突變不會有明顯作用的傳統論斷。同時，NCR343的發現證實了NCR多肽在促進共生體終極分化之外的新功能，有望拓展大家對NCR多肽功能的認知。目前，絕大多數NCR多肽的共生體靶标仍是一片空白，對NCR343互作蛋白的研究有望為解析NCR多肽發揮功能的分子機制提供新的立足點。
2003网站太阳集团潘懷榮課題組高豐展博士是論文的第一作者，博士生楊劍是論文共同第一作者，潘懷榮教授是論文通訊作者。蘭州大學生科院陳汝進教授、陳玉輝副教授，鄭州煙草研究院翟妞研究員，潘懷榮課題組已畢業碩士生張超，在讀碩士生任鑫如、曾雅婷為本研究做出了重要貢獻。本研究得到了國家自然科學基金青年項目（32200201）、面上項目（31870221、32070271）和國家自然科學基金委員會與土耳其科學技術研究理事會合作研究項目（32161133006）的資助。
論文鍊接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.19180。
