根瘤共生固氮起源与演化研究取得进展
文章导读
你可能从未想过，田里那些不起眼的豆科植物，正悄悄藏着地球最高效的“天然氮肥工厂”秘密。大多数人以为固氮能力是逐步进化来的，但基因数据却揭示了一个惊人事实：这场生物革命的起点，竟是一次远古的基因大爆炸——γ古六倍体事件直接催生了NIN、CNGCa等关键基因。我们分析了204个物种基因组发现，根瘤共生网络并非从零构建，而是“拼装”自菌根共生、硝酸盐响应等旧有通路。更反常的是，豆科不同分支竟独立演化出了相同的调控模块。这意味着什么？如果这套“基因套件”能被复制，小麦、水稻会不会也能自己固氮？人工改造非豆科作物的钥匙，或许就藏在这份首次公开的基因“清单”里——你敢想象未来农田不再需要化肥吗？
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植物根瘤共生是自然界最高效的生物固氮系统，可支撑植物在缺氮土壤中正常生长发育。根瘤共生固氮这一特性仅存在于被子植物固氮支系的葫芦目、豆目、壳斗目和蔷薇目10个科的植物中。长期以来，科学界围绕根瘤固氮的起源和演化机制一直存在争议。
中国科学院昆明植物研究所与分子植物卓越创新中心合作，对根瘤共生基因调控网络的形成和演化机制开展了深入研究。研究通过对10个关键固氮支系代表物种的全基因组测序，结合194个已发表基因组数据，开展比较基因组与系统发育分析，首次在单基因水平上，解析了根瘤共生基因调控网络的演化架构。
研究证实核心真双子叶植物的γ古六倍体事件，为根瘤共生关键基因的诞生提供了核心分子基础，NIN、CNGCa等核心基因在此阶段通过基因复制与功能分化形成，成为根瘤共生调控网络组装的核心基石。
研究明确根瘤共生初始调控网络（含523个基因）起源于固氮支系的共同祖先，该网络通过模块化招募策略，整合重排菌根共生、硝酸盐响应、胁迫响应三大通路的基因构建而成。
研究揭示了豆科植物共生体形成的趋同进化机制。SymSTK激酶与NPL基因在不同豆科支系中被独立招募，二者协同调控细胞壁重塑与共生细菌释放，维持共生体功能稳态。突变体功能验证进一步证实，这两个基因对根瘤正常形成及植物固氮能力至关重要。
该研究不仅揭示了根瘤共生演化这一长期谜团，更系统构建了根瘤共生网络的核心基因“清单”，为人工改造非固氮作物提供了精准靶点。
相关研究成果以Evolution of Root Nodule Symbiosis via Paleopolyploidy and Modular Pathway Rewiring为题，发表在Cell Host & Microbe上。研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项、云南省“兴滇英才支持计划”等的支持。
植物共生结瘤固氮的演化模式图
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完全看不懂在说啥，但感觉挺厉害的