根瘤固氮是自然界中氮素还原效率最高的一种形式，为宿主作物提供绝大部分的氮素来源。豆科植物——根瘤共生固氮体的建立起始于宿主植物对根瘤菌结瘤因子的识别。结瘤因子受体是由两个lysm受体激酶（如百脉根中nfr1和nfr5）形成的异源复合物构成，其介导的共生信号转导对于根瘤菌入侵和根瘤发育起到决定性作用。然而，结瘤因子受体在蛋白水平上的调控机制并不清楚。
5月30日，华中农业大学曹扬荣教授团队在molecular plant上发表了题为"dynamic modulation of nodulation factor receptor levels by phosphorylation-mediated functional switch of a ring-type e3 ligase during legume nodulation"的研究论文。该研究提出一个新的泛素化途径调控受体蛋白含量的工作模型：作为e3泛素连接酶，nire1介导不同连接方式的泛素化实现对nfr1/nfr5蛋白水平的动态调控。在根瘤菌接种前，nire1介导nfr1/nfr5蛋白的k48多聚泛素化修饰，使其维持在较低水平；而在根瘤菌接种后，nfr1磷酸化nire1的tyr-109位点，触发nire1的功能转换，介导nfr1/nfr5蛋白的k63多聚泛素化修饰，稳定受体蛋白含量，进而响应根瘤菌入侵并激活下游共生信号转导。
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该研究以百脉根为对象，首先发现了nfr1/nfr5蛋白含量变化受泛素化调控，根瘤菌或结瘤因子处理都能诱导nfr1/nfr5蛋白含量的积累。为了解析这一调控机制，团队筛选到与nfr5胞内域互作的e3泛素连接酶，命名为nire1。nire1介导了nfr1和nfr5泛素化修饰。进一步研究发现，nire1介导了nfr1/nfr5在根瘤菌接种前的降解；而在根瘤菌接种后nire1介导了nfr1/nfr5蛋白的稳定。
团队进而对nire1介导受体蛋白含量的动态变化机制进行了研究。研究发现，nfr1可以磷酸化nire1的tyr-109位点。体内和体外实验表明，非磷酸化形式的nire1-y109f促进了nfr1/nfr5的降解；而模拟磷酸化状态的nire1-y109e则介导了nfr1/nfr5蛋白的稳定。进一步研究发现，nire1介导nfr1/nfr5不同类型的多聚泛素化修饰。在根瘤菌接种前，非磷酸化状态的nire1介导了nfr1/nfr5的k48多聚泛素化修饰，使其维持在较低水平；而在根瘤菌接种后，nfr1磷酸化nire1并使其发生了功能转换，介导nfr1/nfr5的k63多聚泛素化修饰，从而稳定了受体蛋白含量。
图1. nire1调控根瘤共生的工作模型
与野生型相比，百脉根nire1突变体的侵染线和结瘤数显著增多；而nire1-oe过表达植株的侵染线和结瘤数显著减少。在nire1突变体中回补nire1y109e可以导致侵染线和结瘤数显著增多，并有自发根瘤产生；而回补nire1y109f则表现出侵染线和结瘤数显著减少且根瘤发育迟缓。以上结果暗示，nfr1/nfr5在根瘤菌接种前后的蛋白含量可能是影响根瘤菌入侵和根瘤发育的内在因素。
这一发现不仅揭示了豆科植物结瘤因子受体蛋白水平在根瘤菌接种前后的动态变化，还丰富了泛素化途径在蛋白含量动态调控中的理论。更重要的是，该研究为深入理解豆科植物与根瘤菌共生固氮机制提供了新的视角，也为今后通过生物技术手段优化共生固氮效率提供了理论基础。
华中农业大学农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室和洪山实验室博士后李豪和博士生欧雅娟为本论文共同第一作者，曹扬荣教授、朱辉副教授和博士后李豪为共同通讯作者。已毕业硕士生张继丹、黄魁，已毕业博士生吴平参与本研究的部分工作。华中农业大学郭晓黎教授为本研究作出重要贡献。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。