近日，中国科学院微生物研究所孔照胜团队在Plant Communications发表了题为“Symbiosome membrane-localized cationic amino acid transporters support symbiotic nitrogen fixation inMedicago truncatula”的研究论文，首次发现共生体膜氨基酸转运蛋白参与维持高效共生固氮，为理解豆科植物与根瘤菌共生调控机制提供了关键证据。
豆科植物与根瘤菌形成的共生固氮体系是自然界最高效的生物固氮方式之一，每年为生态系统贡献大量可利用氮。在这一过程中，根瘤菌通过侵染线进入植物细胞，被宿主来源的共生体膜包裹后形成可固氮的类菌体，这一功能单元被称为共生体。经典模型认为，植物为类菌体提供二羧酸盐作为碳源，而类菌体则将固定的氮以氨态氮形式输送给植物。但越来越多证据表明，氨基酸在豆科植物与根瘤菌之间的跨界交换同样也是实现高效固氮的重要环节。
该研究在蒺藜苜蓿共生体膜上鉴定出三个阳离子氨基酸转运蛋白（CAT, cationic amino acid transporter）：MtCAT1a、MtCAT1b和MtCAT1c。其中MtCAT1b和MtCAT1c在根瘤侵染细胞中高表达，并定位于共生体膜，而MtCAT1a在共生过程中功能较弱。遗传学分析表明，MtCAT1b和MtCAT1c可能协同调控类菌体的氨基酸代谢稳态。透射电镜观察发现，突变体中类菌体出现异常积累的PHB（Poly-β-hydroxybutyrate），表明类菌体代谢异常（图1）。转录组分析显示，突变体中的类菌体碳氮代谢途径受损， ATP合成能力下降，最终导致突变体根瘤固氮酶活性降低。进一步实验证实，MtCAT1b和MtCAT1c能够相互作用，推测二者可能协同发挥功能。酵母转运实验显示，MtCAT1b和MtCAT1c对精氨酸等共生关键氨基酸具备转运能力。这些发现首次揭示了氨基酸转运蛋白在共生体膜中的关键作用，为维持高效共生固氮体系提供了重要分子基础（图2）。
中国科学院微生物研究所博士研究生吴菁霞为文章第一作者，孔照胜研究员和张霞霞助理研究员为本文共同通讯作者。该研究得到农业生物育种国家科技重大专项和国家自然科学基金等项目支持。
原文链接：https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(25)00398-0
图1 MtCAT1c亚细胞定位及突变体表型
图2 共生体膜定位的MtCAT1b和MtCAT1c维持高效共生固氮关系
