《Frontiers in Plant Science》：Hormone-modulated transcription factors orchestrating the root nodule symbiosis
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这篇前沿综述深入探讨了豆科植物-根瘤菌共生固氮体系中，植物激素如何通过调控NIN、GRAS、ERF、ARF、LBD和SHI/STY等核心转录因子家族，精密协调根瘤器官发生和细菌侵染这两大形态发生程序。文章系统梳理了细胞分裂素、生长素、乙烯、赤霉素和油菜素内酯等关键激素的信号通路与转录网络的互作机制，并展望了表观基因组学在解析共生基因染色质重塑中的潜力。
在豆科植物与根瘤菌建立的互利共生关系中，植物形成特化的新器官——根瘤，为细菌提供适宜的固氮微环境，以换取其固定的还原态氮。这一过程的成功建立，依赖于两个高度协调但独立的遗传程序：细菌侵染和根瘤器官发生。近年来研究揭示，多种植物激素（或称植物生长调节物质）是 orchestrating 这些复杂形态建成程序的核心指挥家，它们主要通过调控一系列关键转录因子的活性来实现其功能。
激素对根瘤共生中形态建成程序的调控
多种植物激素在功能性固氮根瘤的建立过程中扮演着重要角色，它们通过干预结节信号通路，调控转录因子，从而影响侵染、根瘤器官发生和细胞分化。
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细胞分裂素 (Cytokinin, CK) 被证实对根瘤形成具有积极作用。在多种物种中，外源施加CK可诱导类根瘤结构。豆科植物在接种根瘤菌后，皮层中CK生物合成基因表达上调。尤为重要的是，豆科模型植物百脉根 (Lotus japonicus) 的CK受体 LHK1功能获得性突变可激活皮层细胞分裂，导致自发结瘤，而其功能缺失突变则会减少结瘤。在蒺藜苜蓿 (Medicago truncatula) 中，MtCRE1受体与核心调控因子NIN形成正反馈环，共同触发根瘤发育。
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生长素 (Auxin) 信号影响侵染线形成和根瘤器官发生。生长素似乎作为侵染线形成的正调节因子，在接种根瘤菌或结瘤因子处理后，百脉根和蒺藜苜蓿根毛中的生长素响应增强。早期使用生长素运输抑制剂可触发根瘤形成，暗示类黄酮产生影响生长素运输，导致局部生长素/CK水平变化，从而触发细胞周期重启。生长素信号和响应与决定型和不确定型根瘤初始细胞分裂位点一致，而CK信号似乎能在根瘤形成过程中激活局部生长素生物合成。
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赤霉素 (Gibberellic acid, GA) 对根瘤器官发生和根瘤菌侵染表现出看似矛盾的作用，其调控具有细胞层特异性。在内皮层，GA产生促进根瘤器官发生和侧根形成；然而，在豌豆 (Pisum sativum) 根表皮中，GA产生似乎抑制细菌侵染并限制侵染线向皮层细胞的进展。此外，局部GA积累（尤其在皮层细胞层）对于蒺藜苜蓿的根瘤器官发生和发育是必需的。
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乙烯 (Ethylene) 在多数豆科物种中是根瘤菌侵染和根瘤器官发生的负调节因子。蒺藜苜蓿的乙烯不敏感突变体 sickle (skl)表现出过度侵染和过多不发育为成熟根瘤的根瘤原基。同样，百脉根 ein2a ein2b双突变体也表现出过度侵染和结瘤，但固氮受损。外源施加乙烯或其生物合成抑制剂表明，该激素干扰对根瘤菌的所有早期响应。
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油菜素内酯 (Brassinosteroid, BR) 在侵染和根瘤器官发生中具有因物种而异的作用。在豌豆中，BR通过抑制根毛中活性生长素的积累、根毛变形和侵染线形成来抑制根瘤菌侵染，但对皮层中根瘤器官发生的启动有积极作用。然而，在大豆中，BR信号通过抑制结瘤因子信号通路来抑制结瘤，揭示了其在形成不确定型和确定型根瘤的豆科物种中的相反功能。
激素调控的根瘤共生相关转录因子
多种转录因子家族在激素信号的整合下，协同调控根瘤共生的各个步骤。
Nodule Inception (NIN)：整合多种激素信号通路的核心调控因子
NIN是协调功能性固氮根瘤形成所需的两大形态建成程序（细菌侵染和器官发生）的核心调控因子。其启动子中的不同顺式调节元件决定了其表达的细胞特异性与调控方式：
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在表皮细胞中，结瘤因子感知激活的共同共生信号通路激活转录因子CYCLOPS，后者结合NIN启动子中的CYCLOPS响应元件，控制侵染。赤霉素也通过此元件激活NIN表达，而NIN反过来激活GA生物合成基因，形成一个在结瘤自动调节背景下控制根瘤菌侵染的信号环路。
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在内皮层和中性鞘细胞中，NIN的表达由另一个含细胞分裂素响应元件的远程调控元件控制。细胞分裂素通过受体LHK1/CRE1激活B型响应调节子RRB12，后者结合该元件介导NIN激活，从而触发中性鞘和皮层中的细胞分裂，形成根瘤原基。这突出了细胞分裂素通过NIN表达正向控制根瘤器官发生的核心作用。
NIN还与生长素介导的基因调控紧密相连，其直接靶标包括核因子Y和侧生器官边界域家族成员。此外，大豆中的GmNIN2控制生长素失活基因GH3的表达，降低活性生长素水平，促进细胞分化。茉莉酸作为根瘤和侧根形成的负调节因子，可损害百脉根中NIN对根瘤菌的诱导，但其机制尚待阐明。
GRAS转录因子：整合激素响应以连接共同共生信号通路与结瘤信号通路
GRAS蛋白NSP1和NSP2形成同源或异源复合体，结合早期结瘤基因启动子中的结瘤响应元件，激活其表达。该复合体也直接结合NIN启动子，控制其在共生早期阶段的表达。激素信号通过该复合体进行整合：
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油菜素内酯信号通过转录因子BES1负向调节结瘤因子信号和结瘤。在大豆中，GmBES1与GmNSP1/GmNSP2在根毛细胞核中相互作用，抑制其异源复合体形成及GmNSP1的DNA结合活性。
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细胞分裂素响应调节子GmRR11d与GmNSP1a相互作用，系统性地抑制结瘤。
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DELLA蛋白（GRAS的一个亚家族）参与NSP1/NSP2复合体的形成，并与CCaMK和CYCLOPS/IPD3形成复合体，共同参与共同共生信号通路。赤霉素通过GID1受体结合触发DELLA蛋白降解，而DELLA蛋白则介导赤霉素信号与细胞分裂素-CRE1通路的相互作用以控制结瘤。
此外，SCARECROW (SCR) 和 SHORTROOT (SHR) 从根系径向发育程序中被招募，在细胞分裂素、NIN和LBD16介导的根瘤发育过程中，参与激活皮层细胞分裂。
APETala2/乙烯响应因子：作为根瘤共生的正负调节因子
尽管乙烯整体上抑制早期信号、侵染和器官发生，但AP2/ERF超家族个体成员在根瘤共生不同步骤中扮演着或正或负的角色。
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MtERN1和 MtERN2是侵染和根瘤定植的正调节因子，其上调依赖于结瘤因子受体、CCaMK以及GRAS转录因子NSP1和NSP2。它们与NSP1/NSP2复合体协同作用激活早期共生基因表达。
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MtEFD和 MtEFD2在根瘤发育后期发挥作用。MtEFD负向调节根瘤起始，但促进根瘤分化，可能通过激活细胞分裂素途径的负调节因子MtRR4来实现。MtEFD2则有助于MtNF-YA1、MtNF-YB16以及生长素生物合成相关基因的上调。
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PLETHORA 基因在根瘤分生组织的形成和维持中起作用，可能从根分生组织发育程序中被招募。
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NNC1是结瘤数目的负调节因子，其表达受miR172转录后调控。在根瘤菌侵染下，NIN介导的miR172水平升高促进NNC1转录本降解，从而释放对ENOD40的抑制，促进皮层细胞分裂。NNC1也参与寄主控制的结瘤自动调节。
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大豆中的GmENS1和 GmENS2参与根瘤衰老，直接激活NAC转录因子促进衰老进程。
核因子Y：在侵染、根瘤发育和菌株特异性中起关键作用
核因子Y是异源三聚体转录因子，在根瘤共生中，其三个亚基的某些成员受细胞分裂素信号和核心调控因子NIN转录激活，并在共生各阶段发挥关键作用。
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在蒺藜苜蓿中，MtNF-YA1对根瘤分生组织的形成和维持至关重要，其表达受miR169空间限制，而MtENOD40RNA可作为模拟物隔离miR169，释放对MtNF-YA1的抑制。MtNF-YA1和 MtNF-YA2与侵染控制及早期共生基因激活有关。它们与MtNF-YB16、MtNF-YC1/C2形成功能复合体。
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在百脉根中，LjNF-YA1和 LjNF-YB1是NIN的直接转录靶标，在分裂的皮层细胞中共同起作用控制根瘤发育。LjNF-YA1控制SHI/STY家族成员表达，进而调控生长素生物合成基因YUCCA。
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在菜豆中，NF-Y成员不仅控制根瘤菌侵染和根瘤器官发生，还影响植物对结瘤效率更高的根瘤菌菌株的偏好性。PvNF-YA1、PvNF-YB7和PvNF-YC1形成异源三聚体控制功能性根瘤的形成和菌株选择。
生长素响应因子：为根瘤菌侵染和根瘤器官发生中的生长素响应所需
生长素响应由生长素响应因子和Aux/IAA蛋白家族介导。多个ARF家族成员通过miRNA进行转录后调控，参与共生不同阶段。
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miR167通过转录后切割其靶标GmARF6、GmARF8a/b调控大豆根瘤发育。
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miR160在结瘤过程中水平增加，过表达miR160通过抑制GmARF10/16/17或MtARF10/16/17减少结瘤数。在蒺藜苜蓿中，MtARF16在受侵染的根毛、侵染灶周围和侵染线中激活，可能是不确定型根瘤中侵染起始所必需的。
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miR390/TAS3通路通过调控MtARF2/3/4影响结瘤发育和侵染事件。MtARF2直接结合MtNSP2、MtARF4a和MtLBD17/29a启动子中的生长素响应元件，揭示侧根发育程序与结瘤因子信号通路之间的交互对话。
侧生器官边界域转录因子：从侧根发育到根瘤共生
LBD转录因子是植物特有的转录因子家族，在根瘤器官发生中作为核心发育介质，作用于细胞分裂素和共生信号下游，促进皮层细胞分裂和器官形成。
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在百脉根中，LjLBD16a是侧根和根瘤形成所必需的。在共生过程中，它被核心调控因子NIN直接激活，将LBD转录因子置于细胞分裂素信号和共生转录控制的交汇点。其内含子中的NIN结合位点在豆科植物直系同源物中保守，但在非豆科物种中不保守，提供了进化线索。
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在蒺藜苜蓿中，MtLBD16在侧根和根瘤发育早期被诱导，是根瘤原基正常形成所必需的。其激活依赖于MtCRE1受体和NIN，主要依赖于细胞分裂素信号和NIN活性，而非典型的生长素依赖性调控。MtLBD16的NIN依赖性调控也依赖于SCR-SHR模块。
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MtLBD17/29a是MtARF2的直接靶标，其上调也是NIN依赖性的。改变MtLBD17/29a表达水平会导致结瘤数和侵染事件频率减少。
总结与展望
激素调控的转录因子网络是豆科植物-根瘤菌共生固氮体系高度协调的核心。细胞分裂素、生长素、赤霉素、乙烯和油菜素内酯等关键激素通过调控NIN、GRAS、ERF、NF-Y、ARF、LBD及SHI/STY等多个转录因子家族，在时间与空间上精密调控细菌侵染和根瘤器官发生这两大程序。许多转录因子（如SCR/SHR、LBDs、PLTs）从根或侧根发育程序中被招募和新功能化，揭示了共生性状进化的分子基础。未来的表观基因组学研究（如ATAC-seq、ChIP-seq）将有助于阐明这些激素调控的转录因子如何在共生基因位点影响染色质重塑和可及性，从而更完整地揭示这一复杂共生对话的转录调控全景。
