大豆(Glycine max)是一种重要的粮油作物，能够与土壤中的根瘤菌相互作用形成根瘤，为大豆的生长发育提供绿色氮源。成熟根瘤为其内部的类菌体提供物质、能量和低氧环境，从而维持其高效、专一的共生固氮状态。此前的报道多围绕大豆共生信号起始和根瘤早期发育过程开展研究，鉴定到多个重要的调控组分并明确了其分子功能，同时发现根瘤的起始和发育均受到转录因子的调控。然而，对于特异表达于根瘤且参与调控共生固氮的转录因子却鲜有报道。
2023年7月22日，国际期刊Journal of Genetics and Genomics在线发表河南大学王学路教授团队题为“The nodule-specific transcriptional repressor Top Hub 4 regulates nodule structure and nitrogen fixation capacity in soybean”的研究论文。该研究发现了一个全新的特异表达于大豆根瘤的转录抑制因子Top Hub 4 (GmTH4), GmTH4参与调控了大豆根瘤结构和共生固氮能力，为创制高效固氮大豆新品种提供了新的解决思路和候选基因。
王学路教授课题组前期构建了全局的大豆基因共表达网络，通过加权共表达网络分析挖掘到一个根瘤相关模块(NRM, nodule-related module)（Wu et al., 2019）。分析发现，NRM中相关性排第四位的基因Top Hub 4 (GmTH4)可能编码了NRM中的第一个转录因子。本研究结合生物信息分析、RT-qPCR、荧光报告基因实验、根瘤震动切片观察、Promoter-GUS等方法和技术手段探究了GmTH4的分子功能。研究发现，GmTH4在根瘤中特异表达，编码的蛋白质定位于细胞核并是一个转录抑制因子；过表达GmTH4能够增加根瘤中侵染面积的占比、提高根瘤数量、增强根瘤的固氮酶活力（图1）。综上所述，GmTH4作为大豆根瘤特异表达的转录抑制因子调控了大豆根瘤结构并增强了大豆共生固氮能力，为绿色豆科作物新品种的分子设计提供了新的候选基因。
图1：GmTH4调控根瘤结构和固氮酶活
A：GUS染色在proGmTH4:GUS材料不同组织中的分布；B-E：GmTH4沉默(GmTH4-RNAi) /过表达(GmTH4-OX) 以及野生型(W82)材料地下结瘤情况 (B)、根瘤切片 (C)、根瘤数量(D) 和固氮酶活(E)。
华中农业大学和河南大学联合培养博士研究生葛奎、河南大学吕琪实验师和华中农业大学已毕业博士陈生才为论文共同第一作者。河南大学省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室王学路教授为论文通讯作者。相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中原学者人才计划、河南省高校科技创新团队等项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jgg.2023.07.005
参考文献：
Wu, Z., Wang, M., Yang, S., Chen, S., Chen, X., Liu, C., Wang, S., Wang, H., Zhang, B., Liu, H. and Qin, R., 2019. A global coexpression network of soybean genes gives insights into the evolution of nodulation in nonlegumes and legumes. New Phytologist, 223(4), pp.2104-2119.
