多年來，科學家們一直都想知道豆科植物——其根部的根瘤菌從稀薄的空氣中生產植物必不可少的營養——是如何識別這些細菌既友好又不同於其自身的細胞以及寄主植物的蛋白質是如何找到這些細菌並利用這些“意外收獲”的。
近日，由王東（音譯）帶領的美國馬薩諸塞大學安姆斯特分校的分子植物學家們通過對蒺藜狀苜蓿的研究，揭示了寄主植物基因如何編碼一種蛋白質——識別共生菌的細胞膜，並引導其他蛋白質吸收營養。
植物經常通過微生物來幫助它們滿足對營養的需求，並以光合作用的產物作為“報酬”。大部分陸生植物的這一過程依靠的是與菌根菌的共生——叢枝菌根的結構幫助植物吸收土壤中的磷、硫、氮和其他微量元素。因為土壤中氮含量是有限的，這種方法類似於“搜尋”。
相比之下，豆科植物的“技藝”顯得更為先進：它們利用一種名為根瘤菌的細菌固氮，並將之轉化為植物肥料氨元素。與根瘤菌共生意味著豆類可以通過固定空氣中的氮製造氨。大氣中氮的比例為78%，“本質上是無限的。”研究人員說。
憑借這一“技藝”，豆科植物可以不依靠土壤中稀少的氮元素而獲得它們所需的氮肥。“當品嚐營養豐富的豆腐或毛豆，你會感謝這些根瘤菌以及它們與豆類的‘聯姻’。”王東解釋道。
“在我們這個研究領域，讓無固氮能力的植物獲得這種能力是大家的夢想。”王東說，“這個研究讓我們又近了一步。”
王東的團隊研究發現，微生物與植物通過細胞膜交換營養的過程中，細胞膜為寄主植物一種特殊編碼的蛋白質所識別。“這就像植物發現了如何製造一個自由貿易區。”研究者解釋道。
為了研究這種“貿易”如何進行，該研究團隊對SYNTAXIN132這種基因進行了研究，其編碼的SYP132受體，通常用於識別細胞膜並與分泌囊泡進行作用。
他們發現這種SYP132受體通常尋找植物細胞表麵膜並與之作用。當根瘤菌在寄主中存在時，相同的基因就會產生另一種蛋白質，而這種蛋白質會尋找根瘤菌細胞膜。令人驚喜的是，叢枝菌根真菌共生體共享相同的SYP132受體。科學家現在明白，叢枝菌根菌和固氮菌周圍的寄主細胞膜有相同之處。
他補充說，基因知道根瘤菌的存在且製造了替代蛋白質來找到其細胞膜，這意味著寄主能夠區分並選擇細胞膜。
“我們發現，兩種SYP132蛋白是不一樣的，雖然它們都來自同一基因。這個基因有兩種轉錄本，就像一部電影有兩種結局。沒有人知道存在兩種蛋白質。”王東解釋道，“所以，答案是一種基因能利用可選擇的終端外顯子以不同序列創造蛋白質，這決定了細胞中蛋白質最終是怎樣發生作用的。”
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