2024年4月26日，國際著名學術期刊Nature Communications在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心謝芳研究組題為“RinRK1 enhances NF receptors accumulation in nanodomain-like structures at root-hair tip”的研究論文。該研究揭示了百脈根類受體激酶RinRK1促進結瘤因子（NF）受體在根毛質膜納米域調控根瘤菌侵染的分子機理。

豆科植物和根瘤菌之間的共生固氮體系，被認為是固氮效率最高且最有農業應用價值的生物固氮方式。這種共生體系不僅滿足了豆科植物自身對氮素的需求，還能為與豆科植物輪作、間套作的非豆科作物提供氮素營養。

形成具有固氮能力的根瘤依賴于發生在表皮細胞的根瘤菌侵染和皮層細胞的根瘤器官的形成。這兩個過程在空間上相對獨立，但在時間上需要高度協調。根瘤菌分泌的結瘤因子（Nodulation Factor，NF）是共生固氮中最重要的信號分子，它調控根瘤菌侵染和根瘤器官的形成。研究組前期研究發現，NF信號是根瘤器官形成的充要條件（Liu et al.,2022;Luo et al.,2023）。在百脈根中，NF受體是LysM類受體激酶NFR1（Nod Factor Receptors 1）和NFR5，其胞內激酶域足以激活根瘤器官的形成。NF受體胞外域對根瘤菌侵染至關重要，但NF受體的胞外域如何識別根瘤菌信號并調控侵染過程目前尚不清楚。質膜納米域（Nanodomain）作為一個細胞信號轉導平臺，受體類蛋白通常會在質膜納米域中聚集，有助于細胞快速且特異地響應不同的環境信號。研究組前期鑒定到一個LRR類受體激酶RinRK1（Rhizobial Infection Receptor-like Kinase 1），它受NF誘導表達，特異調控侵染線形成（Li et al.,2019）。然而，RinRK1調控侵染線形成的分子機理尚不清楚。

該研究發現RinRK1與NF受體（NFR1和NFR5）胞外結構域相互作用。RinRK1定位于細胞質膜中，并存在于質膜DRM（Detergent Resistant Membrane）組分中。此外，根瘤菌分泌的NF信號可以促進RinRK1在根毛頂端納米域聚集，并且這一過程依賴NF受體的存在。同時，NF信號促進NFR1和NFR5在根毛頂端納米域聚集，這一過程依賴于RinRK1。通過雙分子熒光互補實驗揭示，RinRK1與NFR1/5互作在根毛質膜，而根瘤菌可以增強RinRK1與NFRs在根毛頂端納米域的互作。這一發現表明根瘤菌分泌的NF信號可以促進RinRK1與NFR1/5在根毛頂端納米域形成受體復合體。

Flotillin是納米域的標記蛋白，我們發現百脈根中的Flot1受根瘤菌誘導，在根毛、根瘤原基以及成熟根瘤的維管束中表達。突變體研究顯示，Flot1缺失會導致根瘤菌侵染事件減少，表明Flot1對于侵染線的形成起著重要作用。進一步研究發現，NF信號促進Flot1在根毛頂端聚集；且RinRK1和NFR1/5響應NF信號在根毛頂端納米域的聚集依賴于Flot1。而且，Flot1能夠與NFR1/5和RinRK1的胞內結構域發生相互作用。RinRK1能夠促進Flot1與NFR1/5的互作，而Flot1與NFR1/5響應NF信號在根毛頂端聚集也需要RinRK1的參與。

此外，研究發現NFR1不僅具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性，還具有酪氨酸磷酸化活性。實驗結果顯示，NFR1的絲氨酸/蘇氨酸和酪氨酸磷酸化活性對其響應NF信號在根毛頂端聚集和共生結瘤中都起著關鍵作用。

綜上所述，該研究結果揭示了RinRK1如何通過胞外結構域與NF受體互作，通過胞內結構域與納米域蛋白Flot1互作，以及NF信號如何促進NFR1/5-RinRK1-Flot1復合體在根毛頂端納米域聚集。RinRK1和Flot1在質膜特定信號平臺對NF受體復合體的組裝起著關鍵作用，從而促進根瘤菌侵染過程。這對于研究質膜上的受體復合體如何響應根瘤菌信號進而調控侵染線的形成具有重要的意義。

分子植物科學卓越創新中心謝芳研究組博士生周寧是該論文的第一作者，謝芳研究員是該論文的通訊作者。謝芳研究組副研究員李曉琳、研究助理劉靜、已畢業的博士生鄭志瓊和英國John Innes Centre的J. Allan Downie教授都參與了該項工作。該研究得到了中國科學院青年科學家基礎研究項目、中國科學院重點研究項目、上海市學術/技術帶頭人計劃和上海市自然科學基金的支持。

侵染特異納米域的組裝模型