豆科植物與根瘤菌形成的共生固氮體系是自然界最高效的生物固氮方式之一。在這一過程中，根瘤菌通過侵染線進(jìn)入植物細(xì)胞，隨后被宿主的共生體膜包裹后形成可固氮的類菌體，這一功能單元被稱為共生體。經(jīng)典模型認(rèn)為，植物為類菌體提供二羧酸鹽作為碳源，類菌體則將固定的氮以氨態(tài)氮形式輸送給植物。但越來越多證據(jù)表明，氨基酸在豆科植物與根瘤菌之間的跨界交換也是實現(xiàn)高效固氮的重要環(huán)節(jié)。

　　近期，中國科學(xué)院微生物研究所研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)共生體膜氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白參與維持高效共生固氮，為學(xué)界理解豆科植物與根瘤菌共生調(diào)控機(jī)制提供了關(guān)鍵證據(jù)。

　　研究團(tuán)隊在蒺藜苜蓿共生體膜上鑒定出MtCAT1a、MtCAT1b、MtCAT1c三個陽離子氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白。其中，MtCAT1b和MtCAT1c在根瘤侵染細(xì)胞中高表達(dá)，并定位于共生體膜，而MtCAT1a在共生過程中功能較弱。遺傳學(xué)分析表明，MtCAT1b和MtCAT1c或協(xié)同調(diào)控類菌體的氨基酸代謝穩(wěn)態(tài)。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，突變體中類菌體出現(xiàn)異常積累的PHB，這表明類菌體代謝異常。轉(zhuǎn)錄組分析顯示，突變體中的類菌體碳氮代謝途徑受損，ATP合成能力下降，進(jìn)而導(dǎo)致突變體根瘤固氮酶活性降低。實驗進(jìn)一步證實，MtCAT1b和MtCAT1c可相互作用，因而團(tuán)隊推測二者可能協(xié)同發(fā)揮功能。酵母轉(zhuǎn)運實驗顯示，MtCAT1b和MtCAT1c對精氨酸等共生關(guān)鍵氨基酸具備轉(zhuǎn)運能力。

　　該研究揭示了氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白在共生體膜中的關(guān)鍵作用，為維持高效共生固氮體系提供了重要分子基礎(chǔ)。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《植物通訊》（Plant Communications）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等的支持。

MtCAT1c亞細(xì)胞定位及突變體表型

共生體膜定位的MtCAT1b和MtCAT1c維持高效共生固氮關(guān)系