南湖新闻网讯（通讯员 万里豪）近日，生命科学技术学院、农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室徐曙彤教授课题组联合河南大学王学路教授团队在 The Plant Cell 在线发表题为"Structural basis of NSP1-NSP2 heterodimerization and its regulatory mechanism in legume nodulation"的研究论文。该研究解析了豆科植物共生结瘤核心转录复合物NSP1-NSP2的晶体结构，揭示其异源二聚化促进DNA结合、进而调控根瘤形成的分子机制，并发现NSP1中特有的HCCC型锌指结构通过影响DNA结合活性参与结瘤调控。
豆科植物能够与根瘤菌建立共生关系，在根部形成具有固氮能力的根瘤，将大气氮转化为植物可利用的氮素营养。该过程不仅支撑豆科作物生长，也有助于减少农业生产对化学氮肥的依赖。根瘤共生始于植物对根瘤菌信号的识别，随后激活早期结瘤基因表达，协调根瘤菌侵染和根瘤器官形成。已有研究表明，GRAS家族转录因子NSP1和NSP2在这一过程中发挥核心作用，但二者如何直接组装成复合物，并进一步影响DNA结合和结瘤形成，其结构基础长期不清楚。
研究团队首先在体外重组表达并纯化来自蒺藜苜蓿和大豆的NSP1-NSP2复合物，证明NSP1和NSP2能够形成稳定复合物，且相互作用主要由二者C端GRAS结构域介导。在此基础上，团队解析了2.4埃分辨率的NSP1-NSP2复合物晶体结构。结构分析显示，NSP1和NSP2以1:1比例形成异源二聚体，主要通过LHRI基序形成头对头的相互作用界面；突变分析进一步表明，该界面中的关键保守位点对NSP1-NSP2互作至关重要，相关结构特征在豆科植物中具有功能保守性。
NSP1-NSP2复合物的晶体结构
NSP1-NSP2异源二聚化如何影响结瘤信号转导？研究团队利用ENOD11启动子片段开展电泳迁移率实验发现，NSP1单独存在时只能较弱地结合DNA；NSP2自身虽未检测到DNA结合能力，却可以显著增强NSP1对ENOD11启动子的结合。当NSP1界面突变、难以与NSP2形成复合物时，这种增强作用随之减弱。进一步的大豆遗传互补实验表明，破坏NSP1-NSP2互作会使结瘤缺陷难以恢复，说明二者的直接相互作用是根瘤形成所必需的功能环节。
除异源二聚化界面外，研究团队还在NSP1中发现了一个此前未被认识到的HCCC型锌指结构。该锌指位于NSP1的PFYRE基序附近，其关键配位残基在多种豆科植物NSP1同源蛋白中严格保守。功能实验表明，该锌指不影响NSP1-NSP2复合物的整体稳定性，却会影响复合物的DNA结合能力；在大豆中，锌指关键位点突变不会明显影响GmNSP1a的转录水平或蛋白积累，却显著降低根瘤形成。这些结果说明，NSP1中的HCCC型锌指通过影响DNA结合活性参与结瘤调控。
NSP1中特有HCCC型锌指影响DNA结合和结瘤形成
该研究阐明了豆科结瘤核心转录因子NSP1-NSP2复合物协同调控根瘤共生的结构基础，揭示了LHRI基序介导的异源二聚化增强NSP1 DNA结合能力的机制，并提示锌离子可能通过影响关键转录因子的DNA结合活性参与共生固氮调控，为进一步解析金属元素信号与豆科植物-根瘤菌互作之间的关系提供了新的线索。
华中农业大学生命科学技术学院徐曙彤教授和河南大学王学路教授为论文共同通讯作者。华中农业大学博士研究生万里豪、薛重玉和河南大学青年教师何春梅为论文共同第一作者；华中农业大学已毕业硕士研究生陈凰绮、毛霞坤和河南大学中州实验室助理实验师彭亚齐为共同作者，华中农业大学练兴明教授参与研究。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、河南省重大科技专项、中央高校基本科研业务费、农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室以及河南省中原学者等项目资助。
【英文摘要】
Legumes establish symbiotic relationships with rhizobia, leading to the development of nitrogen-fixing root nodules. Two GRAS transcription factors, Nodulation Signaling Pathway 1 (NSP1) and NSP2, are essential for Nod factor-induced transcription and subsequent nodulation in legumes. However, the structural basis of their interaction and functional mechanism remains poorly understood. Here, we report the crystal structure of the Medicago truncatula NSP1-NSP2 complex at 2.4 Å resolution. The structure reveals that NSP1 and NSP2 assemble into a heterodimer with a small, triangular interface exclusively composed of their leucine heptad repeat I (LHRI) motifs. This direct interaction is essential for nodulation, as NSP2 facilitates NSP1-DNA binding. Furthermore, we identified an HCCC-type zinc finger in NSP1 that modulates nodulation by influencing its DNA-binding activity. Together, our findings provide structural insights into NSP1-NSP2 heterodimerization and elucidate the regulatory mechanism underlying legume nodulation, offering a theoretical foundation for rationally engineering NSP1 and NSP2 to optimize plant-microbe relationships for agricultural applications.
论文链接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koag161/8704538?login=true&guestAccessKey=
