築波大學生命環境系的壽崎拓哉副教授、名古屋大學研究生院理學研究科的松林嘉克教授、東京大學研究生院農學生命科學研究科的反田直之助教等人組成的研究團隊發表研究成果稱，發現了一類能夠響應豆科植物活體內氮狀態並將鐵集中到根瘤菌的根瘤中的肽因子（IMA肽）。研究人員利用豆科模式植物百脈根（Lotus japonicus）對這些肽進行了泛函分析。結果顯示，本次發現的肽因子在豆科以外的無根瘤共生植物擬南芥（Arabidopsis）中也發揮作用，並且具有響應植物活體內氮增加而維持氮穩定狀態的功能。該發現有望促進對植物環境適應機制的研究和解析。相關研究成果已於2024年1月29日發表在國際學術期刊《Nature Communications》上。
圖1 LjlMA1和LjlMA2的雙突變體的根瘤表型（供圖：築波大學）
與野生型個體相比，LjIMA1和LjIMA2的雙突變體形成了許多小的根瘤。在根瘤内部進行鐵染色後，觀察到野生型植物的根瘤呈藍色，而雙突變體的根瘤幾乎沒有藍色染色，表明鐵含量較少。白色垂直度標尺表示2mm，黑色水平標尺表示500μm。
豆科植物透過與固氮菌的根瘤菌共生，從而獲取成長所需的氮。而根瘤菌透過其攜帶的酶（固氮酶）進行催化，將大氣中的氮轉化爲植物可利用的氨的形式，實施氮固定。目前雖然已知這種酶的活性中心含有鐵，但不清楚植物是如何向根瘤菌提供鐵的。
本次研究中，研究團隊利用了豆科模式植物百脈根，分析了根瘤共生程序中響應植物活體內氮狀態變化的基因表現。
具體來說，研究人員對比了根瘤共生個體、無根瘤共生個體，以及沒有形成根瘤的變異體個體的基因表現，並探討了向根部傳遞植物活體內氮狀態的訊號因子存在的可能性。鑑於有報告顯示小分子量蛋白質可以在器官間行程，他們調查了能夠響應氮狀態而在地上部表達的、對小分子量蛋白質進行編碼的基因。
作爲調查結果，研究人員發現了由50個左右的胺基酸殘基組成的IMA肽。該基因能夠響應固氮能力，並在地上部分表達。此外，IMA（IRON MAN）肽在此前對於擬南芥的研究中曾有過報告，指出它與缺鐵響應有關。
爲了研究這類肽在百脈根活體內的功能，研究人員針對現有8種IMA肽（LJIMA1～8）之中表達量較高的LjIMA1和LjIMA2培育了雙基因剔除的個體，以便分析其功能。
結果發現，培育出的個體出現了根瘤尺寸減小和根瘤數量增加等異常，證實了根瘤的氮固定活性有所降低。
爲了進一步探究植物體哪個部位的IMA肽至關重要，研究人員在地上部和根部分別進行了正常個體和基因剔除個體的嫁接實驗。研究發現，不論在地上部分還是根部，這些肽都與根瘤共生的調控有關。
此外，基因剔除個體的異常是由於無法將鐵儲蓄到根瘤中而導致的，由此揭示了這些肽具有將植物個活體內的鐵集中到根瘤中的功能。這些肽調控的基因中還包括與鐵運輸有關的酶。
IMA肽在以擬南芥爲代表的無根瘤共生的植物中也得到廣泛保存。爲了明確這些肽的功能，研究人員敲除了擬南芥和百脈根中的IMA肽，結果發現敲除後無法響應植物活體內的氮增加，對成長產生了不良影響。
根據這些結果，研究明確了IMA肽在廣泛的植物種類中透過調節植物活體內的氮鐵量平衡來維持氮穩定狀態，並能調控植物的環境適應。
壽崎副教授表示：「如果能夠人工合成出具有像這次發現的肽一樣功能的肽，就有可能將其用作促進植物成長的肥料，將土壤中的鐵集中到根瘤中。此外，我們還希望進一步詳細研究這些IMA肽是如何將鐵運送到根瘤中的，以及它們與鐵的相輔作用。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Communications
論文：IMA peptides regulate root nodulation and nitrogen homeostasis by providing iron according to internal nitrogen status
DOI：10.1038/s41467-024-44865-4
