豆科植物可以通过与根瘤菌进行共生固氮作用获得氮营养，对豆科植物共生固氮机制的研究可以为减少农业生产中的氮肥施用，变革农作物的营养获取方式奠定理论基础。在共生固氮过程中，根瘤菌通过侵染线进入根瘤组织，并完全进入根瘤细胞，形成类细胞器结构-共生体（symbiosome）。在不定型根瘤中，每个根瘤细胞中的共生体可以达数百个之多。在根瘤细胞中，宿主细胞会向共生体传递大量的调控信号。例如，豆科模式植物蒺藜苜蓿根瘤细胞会向共生体分泌700个左右的NCR多肽（Nodule Cysteine Rich Peptide）促进共生体的终极分化。终极分化是共生体获得生物固氮能力的前提条件，这也是土壤中的根瘤菌不能固氮，根瘤细胞中的根瘤菌能够固氮的重要原因之一。目前，根瘤宿主细胞中的调控信号如何准确传递到共生体中的仍然很不清楚。

2023年7月19日，湖南大学生物学院潘怀荣课题组在国际知名学术期刊《Nature Communications》上发表了题为“A signal peptide peptidase is required for ER-symbiosome proximal association and protein secretion”的研究论文，报道了根瘤特异信号肽蛋白酶BID1在调控根瘤细胞内质网-共生体信号传递方面的重要功能。

图1  BID1编码内质网定位的信号肽蛋白酶

根瘤细胞中，从内质网向共生体运输的调控蛋白，如NCR多肽等，在它们的未成熟序列的N端会有信号肽肽段。之前的研究表明，根瘤特异的DNF1信号肽酶切复合体能够切除信号肽肽段，确保成熟蛋白的正确折叠和转运。通过遗传筛选，潘怀荣课题组发现了一个蒺藜苜蓿固氮缺失型突变体bid1。bid1突变体只能形成白色圆形的小根瘤，根瘤细胞中的共生体不能够正常分化，呈现出和自由生长类似的状态。图位克隆和全基因测序发现，bid1突变体中1号染色体上臂存在突变，2号染色体上1个8857 bp的片段易位到MtrunA17_Chr1g0147151基因的5’ UTR的位置。遗传互补表明，正是这个易位突变导致了bid1突变体的表型。

图2 BID1缺失导致内质网胁迫和形态变异

BID1基因编码信号肽蛋白酶（Signal Peptide Peptidase），功能是降解被信号肽酶切复合体切除后，残留在内质网膜上的信号肽片段。实验结果显示，BID1基因在根瘤组织中被根瘤菌侵染的细胞中特异表达。荧光共聚焦显微观察表明，BID1蛋白特异定位在根瘤细胞的内质网膜上。缺失了BID1基因后，根瘤细胞的内质网胁迫相关基因被诱导。有意思的是，bid1突变体根瘤细胞中，内质网的形态也发生了剧烈变化。荧光共聚焦显微观察和透射电镜连续切片和3D模型构建表明，野生型根瘤细胞中，内质网紧密围绕在共生体周围。而bid1突变体中，内质网不再是规则的网状结构，也不能围绕在共生体周围。这些结果说明，BID1是内质网形态维持的重要调控元件。在此基础上，我们发现在bid1根瘤细胞中，多个关键共生体调控蛋白如NCR001，NCR166，CAML1等不能够正确分泌到共生体上。

以上结果表明，BID1是根瘤细胞中内质网-共生体信号传递途径的关键元件，通过调控内质网上残留信号肽片段的清除控制内质网的功能和形态结构，从而控制宿主调控蛋白向共生体的定向运输。

BID1基因的发现，为深入研究内质网-共生体之间的结构关系和根瘤细胞内质网-共生体亚细胞运输路径奠定了基础，对后续研究根瘤细胞特异的亚细胞运输网络、高通量发掘宿主向根瘤菌分泌的调控具有重要意义。

图3 BID1参与内质网重构和蛋白分泌模式图

湖南大学生物学院博士生杨剑是论文第一作者，潘怀荣教授是论文通讯作者。兰州大学陈汝进教授、陈玉辉副教授、郑州烟草研究院翟妞研究员，潘怀荣教授课题组硕士生王卢英对本论文有重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金面上项目（31870221、32070271）、中国-土耳其国际合作研究项目（32161133006）和长沙市科技计划项目（kq2004026）的资助。

Nature Communications原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40008-3。

撰文：杨剑、潘怀荣