植物根瘤共生是自然界最高效的生物固氮系統(tǒng)，可支撐植物在缺氮土壤中正常生長發(fā)育。根瘤共生固氮這一特性僅存在于被子植物固氮支系的葫蘆目、豆目、殼斗目和薔薇目10個科的植物中。長期以來，科學界圍繞根瘤固氮的起源和演化機制一直存在爭議。

中國科學院昆明植物研究所與分子植物卓越創(chuàng)新中心合作，對根瘤共生基因調控網絡的形成和演化機制開展了深入研究。研究通過對10個關鍵固氮支系代表物種的全基因組測序，結合194個已發(fā)表基因組數(shù)據(jù)，開展比較基因組與系統(tǒng)發(fā)育分析，首次在單基因水平上，解析了根瘤共生基因調控網絡的演化架構。

研究證實核心真雙子葉植物的γ古六倍體事件，為根瘤共生關鍵基因的誕生提供了核心分子基礎，NIN、CNGCa等核心基因在此階段通過基因復制與功能分化形成，成為根瘤共生調控網絡組裝的核心基石。

研究明確根瘤共生初始調控網絡（含523個基因）起源于固氮支系的共同祖先，該網絡通過模塊化招募策略，整合重排菌根共生、硝酸鹽響應、脅迫響應三大通路的基因構建而成。

研究揭示了豆科植物共生體形成的趨同進化機制。SymSTK激酶與NPL基因在不同豆科支系中被獨立招募，二者協(xié)同調控細胞壁重塑與共生細菌釋放，維持共生體功能穩(wěn)態(tài)。突變體功能驗證進一步證實，這兩個基因對根瘤正常形成及植物固氮能力至關重要。

該研究不僅揭示了根瘤共生演化這一長期謎團，更系統(tǒng)構建了根瘤共生網絡的核心基因“清單”，為人工改造非固氮作物提供了精準靶點。

相關研究成果以Evolution of Root Nodule Symbiosis via Paleopolyploidy and Modular Pathway Rewiring為題，發(fā)表在Cell Host & Microbe上。研究工作得到中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、云南省“興滇英才支持計劃”等的支持。