氮素是植物生长发育必须的大量营养元素，是生物体中蛋白质和核酸等分子的重要组成部分。尽管地球大气中含有78.1％的氮气，但不能被绝大部分植物直接利用，因此农业生产高度依赖工业氮肥。然而，氮肥的生产需要大量的化石燃料，并且过度施用氮肥会造成土壤板结退化和水体污染，影响农业的可持续发展。生物固氮是自然界生物可用氮的最大天然来源，豆科植物与根瘤菌可以相互作用形成一个独特的器官，即共生根瘤。在根瘤中的共生固氮是地球生态系统中氮气还原为可被植物利用的氨的重要途径，每年贡献了60%以上的陆地生物固氮量，影响着农业和自然生态系统中的初级生产和碳汇，为减少对工业氮肥的依赖，发展绿色农业具有重要意义。共生固氮是一个高耗能的酶催化过程，植物本身光合作用固定的碳水化合物是共生固氮最主要的碳源和能量来源（图1）。因此，共生根瘤的固氮能力需要与豆科植物的碳源和能量水平相协调，以平衡共生固氮和其它生命过程的碳消耗和保证豆科植物在不同环境下的正常生长。然而，人们并不清楚豆科植物如何响应碳源和能量水平从而调控高耗能的生物固氮过程。

图1：共生固氮中碳源和能量的来源及分配

2022年12月2日，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团队在Science上发表了题为Phosphoenolpyruvate reallocation links nitrogen fixation rates to root nodule energy state的研究长文，发现了大豆根瘤能量状态调控共生固氮的新机制。在根瘤碳源供应增加时，根瘤能量状态上升，该研究发现了新的能量感受器蛋白GmNAS1（soybean nodule AMP sensor 1）和GmNAP1（GmNAS1-associated protein 1）感受上升的能量状态，进而调控糖酵解中间产物磷酸烯醇式丙酮酸（Phosphoenolpyruvate, PEP）在大豆根瘤细胞中的分配方向，促进PEP转化为苹果酸为共生体供能从而增强固氮能力。

豆科植物根瘤固氮能力随环境变化而受到影响，在外界氧气和磷营养供应改变时，根瘤的固氮能力会进行迅速地调整，而此时根瘤的能量状态也会发生相应的变化，表明根瘤能量状态的变化可能是固氮能力改变的重要诱因（Ching, 1976；Sa et al., 1991）。胱硫醚β合成酶（Cystathionine β-synthase，CBS）结构域是一类具有结合腺苷酸及其衍生物（包括AMP、ADP和ATP等）能力的保守功能域， CBS家族蛋白具有作为细胞能量感受器的潜力，如动物和酵母中的AMPK（Baykov et al., 2011；Gonzalez et al., 2020）。为了鉴定大豆根瘤中能量状态的感受器，作者筛选了71个CBS家族蛋白，鉴定到在根瘤中特异高表达的GmCBS22（GmNAS1）和GmCBS14（GmNAP1）。遗传分析发现，GmNAS1和GmNAP1功能缺失后不影响根瘤的形成和发育，但是完全抑制了根瘤碳源供应增加后固氮能力的上升。进一步研究发现，GmNAS1和GmNAP1通过感知细胞AMP水平来监测根瘤细胞能量状态， GmNAS1可以直接结合AMP从而与GmNAP1在线粒体膜上形成异源二聚体，在碳源供应增加导致根瘤能量状态上升时，AMP含量降低，促使GmNAS1-GmNAP1异源二聚体解离，形成GmNAS1-GmNAS1和GmNAP1-GmNAP1同源二聚体。

为了了解位于线粒体膜上的GmNAS1和GmNAP1是如何调控根瘤固氮能力的，作者通过免疫共沉淀偶联质谱分析鉴定到了一个与GmNAS1和GmNAP1相互作用的转录因子NF-YC亚基（Nuclear Factor-Y C subunit）GmNFYC10a。发现在根瘤能量状态上升时，AMP水平下降形成的GmNAS1-GmNAS1和GmNAP1-GmNAP1同源二聚体会与GmNFYC10a互作并将其锚定到线粒体上，减少细胞核中的GmNFYC10a水平，进而抑制丙酮酸激酶（PK）基因表达（图2）。

光合产物以蔗糖的形式运送到根瘤之后，经过糖酵解途径生成中间产物PEP，之后PEP可以经过磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）和苹果酸脱氢酶（MDH）催化生成苹果酸为类菌体的固氮反应提供能量，也可以在丙酮酸激酶（PK）的催化下生成丙酮酸进入线粒体的三羧酸循环而产生ATP（图1）。碳源供应上升的高能状态下，GmNAS1/GmNAP1-GmNFYC10调控元件抑制PK基因转录，进而减少了PEP向丙酮酸的转化，使更多PEP转化为草酰乙酸和苹果酸，从而增强类菌体的碳源供应和根瘤固氮能力（图2）。

图2：根瘤中的新能量感受器调节PEP分配而协同调控碳源水平和固氮能力

综上所述，该研究揭示了大豆根瘤中的新型能量感受器GmNAS1/GmNAP1通过调控根瘤碳源的重新分配来调整根瘤固氮能力的分子机制。该机制使豆科植物可以在生长环境改变时，依据其体内碳源的可用性来及时调整根瘤固氮效能，从而维持植株体内的碳氮平衡，适应周围环境的变化。该研究为设计高效利用碳源而共生固氮提供了重要依据，有助于未来高效固氮作物的分子设计。

河南大学省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室、河南大学交叉学科高等研究院王学路教授为该论文的通讯作者，河南大学师资博士后柯小龙为第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、河南省中原学者项目以及河南大学经费的支持。