aBIOTECH | 陈志长课题组揭示大豆根瘤中非侵染细胞在营养储存与释放中的关键作用

豆科植物与根瘤菌形成的共生固氮体系（Symbiotic Nitrogen Fixation, SNF）是自然界中最高效的生物固氮体系之一，对减少农业对化学氮肥的依赖、推动可持续农业发展具有重要意义。在这一体系中，根瘤是固氮作用发生的核心场所。以往研究多聚焦于根瘤中侵染细胞（Infected Cells, ICs）的固氮功能，而对非侵染细胞（Uninfected Cells, UCs）的作用了解甚少，其功能缺乏系统研究。近年来，越来越多的研究结果也表明UCs并非被动存在的“旁观者”，它们在根瘤代谢物转运、离子平衡维持以及信号传递中可能发挥关键作用。然而，UCs如何与ICs协同，通过什么机制参与调控固氮过程，仍不清楚。解析UCs的功能不仅有助于全面认识根瘤的工作机制，也可能为提高豆科作物固氮效率提供新的调控靶点。

近日，中国科学院南京土壤研究所陈志长课题组在aBIOTECH 发表了题为"Nutrient storage and release in uninfected cells of soybean nodules support symbiotic nitrogen fixation in infected cells"的研究论文，该研究聚焦于大豆根瘤中的UCs，通过共质体示踪技术和超微结构观察，揭示了UCs在营养储存与释放中的关键作用，同时阐明了ICs和UCs之间的胞间连丝网络，动态调节营养分配。这些发现为研究共生固氮的调控机制提供了新的见解，并强调了UCs在优化固氮效率中的关键作用。

首先，作者通过使用共质体运动示踪剂羧基荧光素二乙酸酯（CFDA）来观察和模拟营养物质在根瘤中的运输与分布情况。研究发现，CFDA从叶片供给后，会转换成CF并经过维管束运输到根瘤固氮区，而且固氮区UCs的CF信号强度显著高于ICs（图1G和1I），这表明CF进入固氮区后，主要在UCs中积累，说明在营养物质最终输送到ICs之前，UCs作为临时储存点，暂时储存从宿主植物运输来的营养物质。

图1. 使用羧基荧光素二乙酸酯（CFDA）观察和模拟大豆根瘤中的养分运输

随后，作者通过透射电子显微镜（TEM）观察大豆根瘤细胞之间的超微结构，发现在固氮区的ICs与UCs之间以及相邻的UCs之间存在胞间连丝，而相邻的ICs之间没有胞间连丝（图2A-D）。先前的研究表明，胼胝质沉积发生在胞间连丝处。作者使用胼胝质特异性抗体通过免疫染色来探究根瘤细胞中胼胝质的分布，发现在固氮区，相邻的ICs之间没有胼胝质沉积，而在ICs和UCs之间以及相邻的UCs之间检测到了胼胝质沉积（图2E-O）。这些结果说明ICs不能直接相互交流或交换营养物质，它们仅与相邻的UCs进行信息和营养物质的交换。

图2. 大豆根瘤中胞间连丝的分布

最后，作者通过人工诱导胞间连丝处的胼胝质沉积来调控胞间连丝的通透性，结果证明ICs与UCs之间胞间连丝的通透性可以调控营养物质向ICs的输入（图3），进而影响根瘤的营养稳态与共生固氮能力（图4）。

图3. 胞间连丝的通透性调节羧基荧光素（CF）的运输

图4. 胞间连丝的通透性影响根瘤的矿物质稳态和共生固氮能力

综上所述，本研究揭示了UCs在根瘤内部营养储存与释放中的关键作用，并阐明了UCs与ICs之间的胞间连丝在营养物质运输中的重要性。这些研究结果表明，UCs可能作为调控固氮过程的中心枢纽来接收信号并做出决策，从而精确控制ICs的固氮效率。

该研究得到了国家自然科学基金的资助。中国科学院南京土壤研究所陈志长研究员为本文的通讯作者，该课题组的联合培养博士生刘倩和硕士生董倩为本文的共同第一作者。

引用本文：

Liu, Q., Dong, Q. & Chen, ZC. Nutrient storage and release in uninfected cells of soybean nodules support symbiotic nitrogen fixation in infected cells. aBIOTECH (2025). https://doi.org/10.1007/s42994-025-00247-y

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