Azorhizobium caulinodans ORS571是固氮根瘤菌属的模式种，其与宿主毛萼田菁既可形成根瘤又可形成茎瘤。与根瘤相比，茎瘤具有固氮量大、化合态氮耐受性高和固氮酶活性高等优点，并且茎瘤的形成不受土著根瘤菌竞争的限制。对于毛萼田菁来说，茎瘤在侵染区域周围的皮层细胞中含有叶绿体，这些叶绿体能够进行光合作用并产生O2。一般来说，固氮酶对O2高度敏感，但田菁茎瘤的固氮能力却比根瘤高，这表明田菁根瘤菌在茎瘤中可能存在一种特殊的适应性机制，来清除多余的O2及其衍生的活性氧（ROS），如超氧阴离子和过氧化氢。 

研究表明，田菁根瘤菌的结瘤因子（Nod因子）可诱导宿主植物内源性ROS的产生。然而，无论是植物来源的活性氧，还是代谢过程中产生的内源性活性氧对根瘤菌发育和固氮酶活性都是有害的。根瘤菌具有许多抗氧化系统，如硫氧还蛋白(TRX)和谷胱甘肽(GSH)依赖系统、超氧化物歧化酶(SODs)和催化酶(Kats)，以应对ROS并维持固氮酶活性。谷胱甘肽是细胞内氧化还原缓冲剂，谷胱甘肽依赖的抗氧化系统被称为谷氧还蛋白（GRX）系统，由谷氧还蛋白与GSH、GR和NADPH共同组成。GRX系统是细胞内重要的还原系统之一，根据活性位点特性可分为双巯基GRXs（CxxC）和单巯基GRXs（CxxS）。研究表明，一些根瘤菌中不同GRXs作用也不同。那么，田菁根瘤菌ORS571中的GRXs是否在田菁消除活性氧胁迫中发挥了重要作用，双巯基GRXs和单巯基GRXs的作用是否相同？

近日，Molecular Plant-Microbe Interactions在线发表了南京农业大学生命科学学院钟增涛教授课题组题为“Glutaredoxins Play an Important Role in the Redox Homeostasis and Symbiotic Capacity of Azorhizobium caulinodans ORS571”的研究论文。该研究系统解析了田菁根瘤菌ORS571中谷氧还蛋白对抗活性氧及与田菁在共生固氮中发挥的重要作用，结果表明谷氧还蛋白（GRX）系统在田菁根瘤菌ORS571茎瘤的高效固氮过程中发挥着重要的作用，而对根瘤的共生固氮影响较小，其中单巯基GRXs的功能不可替代；当过氧化物浓度低时，双巯基GRXs功能的缺失可以被单巯基GRXs补偿。

为了回答上述科学问题，作者对田菁根瘤菌ORS571中谷氧还蛋白系统进行了系统的研究。首先，生物信息学分析表明，A. caulinodansORS571具有四个谷氧还蛋白，其中GRX1和GRX2属于单巯基谷氧还蛋白，而GRX3和GRX4为双巯基谷氧还蛋白。通过分子生物学技术对四个谷氧还蛋白基因分别构建4个基因突变株，以及∆grx12、∆grx34和∆grx1234的突变株。进一步在细胞水平和土壤水平中证实了单巯基GRXs在田菁根瘤菌中主要参与对外源无机和有机过氧化物的清除过程。植物共生试验表明，与野生型菌株相比，∆grx12和∆grx34突变株在固氮酶活性和植株干重均受到显著影响（p < 0.05），分别降低32.5%和23.3%、36.9%和15.1%，而四个基因的突变株表现出最低的固氮酶活性和植物干重（p < 0.05）（图1）。这些结果表明，两种GRXs类型共同参与田菁中茎瘤的固氮效率。此外，我们发现田菁根瘤菌ORS571中的每个GRX家族有两个基因拷贝，这些基因在细菌生长和应对氧化应激时存在功能冗余。同时发现该系统对根瘤的形成影响较小，提示田菁根瘤菌为适应茎瘤的高效固氮环境进化出相应的ROS清除机制。

图1田菁固氮根瘤菌ORS571突变体与宿主田菁的植物共生实验

A图为每株植物的茎瘤数量 B图为固氮酶活C图为每株植物干重D图为接种根瘤菌5周后植株照片

南京农业大学生命科学学学院钟增涛教授课题组曹亚君博士生为第一作者，江高飞博士和研究生黎明旭为论文共同第一作者，钟增涛教授为通讯作者。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等的资助。课题组长期从事根瘤菌与宿主植物的相互作用方面的工作，已在PNAS、MM、JB、AEM、MPMI等期刊发表多项研究工作。

论文链接：https://doi.org/10.1094/MPMI-04-20-0098-R

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