生物固氮分为自生固氮、联合固氮和共生固氮。其中，豆科植物与根瘤菌间的共生固氮是自然界固氮效率最高、固氮量最大的生物固氮系统，对于维持生态系统氮循环与促进农业可持续发展有着举足轻重的意义。这种高效共生结瘤固氮体系建立与维持的关键在于根瘤菌在宿主细胞中成功实现内共生。根瘤菌在宿主细胞内增殖分化，发育成具有固氮能力的类菌体。类菌体被宿主植物来源的膜完整地包裹，这个结构称为共生体。

共生体是共生细胞内特有的细胞器，是最基本的固氮单元。由于植物细胞有细胞壁包被，并且需要维持液泡膨压来调控细胞发育分化，共生结瘤固氮是唯一一例细菌在宿主植物活细胞中内共生的进化事件。共生体的形成依赖于宿主细胞内膜系统的动态重建和共生体膜的极速扩张，宿主细胞也需要通过调节复杂的内膜系统来维持适当的膨压和细胞完整性。但是，迄今为止仍然缺乏深入的细胞生物学证据来回答根瘤菌如何在宿主植物活细胞中实现内共生，宿主细胞如何形成和维持共生界面，从而保证高效固氮？

图1：nkcbp突变体生长表型和共生表型分析

KCBP (Kinesin-like Calmodulin-Binding Protein) 是植物特有的微管马达蛋白，具有同时结合微管和微丝的能力，调控细胞骨架动态重构和细胞形态建成。有趣的是，KCBP基因在豆科植物中特异发生基因加倍，并且演化出根瘤中富集表达的拷贝nKCBP来调控结瘤固氮。利用基因编辑技术获得了蒺藜苜蓿(Medicago truncatula) nkcbp突变体，表现出生长缺陷（图1a）和固氮能力显著下降（图1b）。进一步对根瘤的半薄切片、超薄切片进行观察发现，野生型根瘤的侵染细胞具有典型的中央大液泡（图1c和2a），而nkcbp突变体则含有大量随机分布的未融合小液泡（图1d和2b），甚至有些侵染细胞内共生体不能分化、共生体膜加厚。

图2：野生型和nkcbp突变体液泡三维结构

运用连续超薄切片扫描电镜成像(Automatic collector of ultrathin sections scanning electron microscopy, AutoCUTS-SEM)技术，对野生型和突变体液泡结构进行了三维重构（图2）。结合活细胞成像和免疫荧光染色，证实了nKCBP具有保守的生化功能，同时结合微管和微丝。进一步发现，与野生型相比，nkcbp突变体侵染细胞中细胞骨架辐射状排布被破坏而呈现随机、无序的排布模式。

图3：nKCBP通过调节细胞骨架动态重构来调控液泡发生和共生界面形成，从而控制根瘤菌内共生与高效固氮的工作模型

终上所述，nKCBP通过调节细胞骨架动态重构来调控液泡发生和共生界面形成（图3），从而控制根瘤菌内共生与高效固氮。

Nature Plants同期发表了题为 “nKCBP controls central vacuole formation for symbiosome development”的Research Briefing专栏推荐文章，发表了审稿人和Nature Plants编辑的官方点评。

中国科学院微生物研究所助理研究员张霞霞为论文第一作者，中国科学院微生物研究所/山西农业大学孔照胜研究员为通讯作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所的薛勇彪研究员，中国科学院分子植物科学卓越创新中心的张一婧研究员，马萨诸塞大学的Dong Wang教授，华中农业大学李友国教授、陈大松副教授也参与了本项研究。

本研究得到了国家杰出青年科学基金、中国科学院战略性先导科技专项和基础研究领域青年团队计划及植物基因组学国家重点实验室自主研究课题经费的资助。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41477-022-01261-4