我室韦革宏教授和陈娟副教授破解“微型氮肥工厂”的平衡术：根瘤菌用一个化学开关帮大豆长得更好

近日，Molecular Plant 在线发表了我室韦革宏团队的研究文章Persulfidation of host NADPH oxidase RbohB by rhizobial 3-mercaptopyruvate sulfurtransferase maintains redox homeostasis and promotes symbiotic nodulation in soybean，系统揭示了根瘤菌来源的3-巯基丙酮酸硫转移酶（3MST）通过对大豆膜蛋白RbohB的Cys791位点进行过硫化修饰，精细调控NADPH氧化酶活性，维持根瘤内氧化还原稳态，从而促进结瘤和固氮的新机制。

在不增加化肥的前提下提高作物氮素利用是农业绿色转型的关键挑战。豆科植物与根瘤菌共生形成根瘤，堪称“微型氮肥工厂”。然而，这座工厂的顺利运转需要活性氧（ROS）信号的精准调控——ROS水平过低难以启动共生过程，过高则会引发氧化损伤，破坏固氮系统。如何精准控制这一“火候”，是长期以来困扰学界的难题。

豆科植物与根瘤菌的共生固氮是自然界最重要的氮源来源之一，为提高作物产量和减少化肥使用提供了绿色解决方案。然而，共生固氮过程中植物免疫反应与共生建立的平衡机制尚不完全清楚。活性氧（ROS）作为一把“双刃剑”，在共生早期促进感染线形成，但在固氮阶段过量积累会抑制固氮酶活性。如何精准调控ROS水平是维持高效固氮的关键。

本研究通过遗传学、生物化学和细胞生物学等多学科手段，揭示了根瘤菌3-巯基丙酮酸硫转移酶（3MST）通过过硫化修饰宿主RbohB蛋白，精准调控ROS水平的分子机制。本研究表明，根瘤菌3MST与RbohB相互作用，并通过对RbohB上Cys791位点进行过硫化修饰，降低NADPH氧化酶活性，防止ROS过量积累。这种精细调控确保了ROS水平维持在“促进感染但不引起氧化损伤”的最佳区间。

遗传证据显示，缺失3MST的根瘤菌（Δ3MST）接种大豆后，导致根毛卷曲和感染线减少、结瘤数量显著降低、固氮酶活性下降，同时伴随ROS过量积累和氧化损伤。外源添加H₂S不能回补这些表型，表明3MST的作用不仅在于产生H₂S，更在于直接调控ROS稳态。进一步实验通过免疫共沉淀、双分子荧光互补和荧光素酶互补实验证实了3MST与RbohB的相互作用。利用改良生物素开关法结合LC-MS/MS分析，直接证明了RbohB在Cys791位点发生硫巯基化修饰。蛋白结构模拟表明，该修饰增强了3MST与RbohB的互作，并降低了NADPH氧化酶活性。遗传互补实验表明，RbohB过表达植株结瘤和固氮受到抑制，ROS水平升高；而RbohB干扰（RNAi）或过硫巯基化位点突变（C791A）植株则表现出结瘤增加、固氮能力增强和ROS水平适度降低。这些效应在Δ3MST背景下仍然存在，证实了“3MST→RbohB→ROS→结瘤/固氮”的调控通路。

该研究揭示了一条跨界的氧化还原调控通路：根瘤菌通过3MST酶过硫化修饰宿主RbohB蛋白，精准调控ROS稳态，平衡植物免疫与共生固氮。这一发现不仅深化了我们对共生固氮过程中氧化还原平衡调控的理解，也为提高豆科作物固氮效率提供了新的分子靶点。通过调控3MST的表达或活性，或者精确修饰RbohB的过硫化状态，有望开发出减少化肥依赖、提高作物产量的新策略。

本研究由西北农林科技大学作物抗逆与高效生产全国重点实验室完成，韦革宏教授与陈娟副教授为共同通讯作者，张卫勤博士为论文第一作者，同课题组成员博士生刘武雨，硕士生王恺，程华平，已毕业博士生白晓丽参与了此项研究工作。此外，香港浸会大学张建华教授给予了理论指导。同时感谢山东大学向凤宁教授团队与广州大学孔凡江教授团队的慷慨支持。该实验室长期致力于植物-微生物互作与共生结瘤固氮调控研究。研究得到了国家自然科学基金联合基金项目（U21A2029）、生物育种-国家科技重大专项（2024ZD04079）及国家自然科学基金项目（42477370）共同资助。