摘要：在人类耕作了千年的土壤深处，植物与微生物的“地下同盟”正悄然塑造着地球的未来。这种关系不仅为植物提供生长所需的养分，也承载了科学家们对可持续农业的无限想象。

在人类耕作了千年的土壤深处，植物与微生物的“地下同盟”正悄然塑造着地球的未来。这种关系不仅为植物提供生长所需的养分，也承载了科学家们对可持续农业的无限想象。

近日发表在《Nature》上的研究"Autoactive CNGC15 enhances root endosymbiosis in legume and wheat (自活性CNGC15促进豆科植物和小麦根系内共生)"揭示了一种令人惊叹的突破：通过基因突变改造植物根部特定通道蛋白，可以显著提升植物与微生物的共生效率。这一发现为减少化肥使用、推动绿色农业发展提供了新思路。

豆科植物，如蒺藜苜蓿，与固氮细菌和丛枝菌根真菌之间的共生关系堪称自然界的杰作。这种“地下合作”让植物能够吸收大气中的氮气或难以获取的土壤磷酸盐。而这一切的核心，是植物根细胞中一种被称为“核内钙振荡”的现象。

钙离子（Ca²⁺）信号就像植物的“语言”，通过特定的频率和强度向细胞内传递信息。关键参与者之一是CNGC15通道蛋白，它与另一蛋白DMI1协同工作，共同生成特定频率的核内钙振荡，触发共生基因的激活。这种信号机制复杂而精密，长期以来困扰着科学家：究竟是什么决定了这种“钙振荡乐章”的开启和节奏？

研究团队通过化学诱变筛选出一种罕见的CNGC15突变体。该突变发生在CNGC15的第一个跨膜螺旋区域，仅改变了一个氨基酸，却带来了颠覆性的效果：突变后的CNGC15无需DMI1协作，即可自主触发低频钙振荡。这种自激活型通道为科学家揭开CNGC15的调控机制提供了新线索。

更让人兴奋的是，这种低频钙振荡竟能重新编程植物的代谢通路，显著提升类黄酮的合成。这些类黄酮分子犹如“化学信号弹”，吸引更多的固氮细菌和丛枝菌根真菌与植物根系建立共生关系。在田间实验中，研究团队还将这一突变引入小麦，结果表明其在非豆科作物中的适用性同样出色，大幅提高了小麦的养分吸收能力。

当前农业生产严重依赖化学肥料，氮肥和磷肥的过度使用已导致严重的环境问题，如水体富营养化和土壤退化。相比之下，利用植物根系与微生物的共生关系，不仅绿色环保，还能降低农业成本。然而，共生微生物通常偏好贫瘠土壤，这一特性限制了它们在高强度农业中的应用。

此次研究打破了这一瓶颈。突变CNGC15赋予植物在高养分土壤中依然能高效利用微生物的能力，为现代农业注入了更多可能性。通过结合传统农业技术，这一突破或将成为应对全球粮食安全挑战的关键。

除了农业应用，这项研究还为钙信号研究领域带来了重要启发。钙振荡的频率调控机制一直是细胞信号研究的难点之一，而此次研究首次揭示了CNGC15通道开启的关键区域和功能机制。此外，该研究采用的突变筛选方法和代谢重编程策略，也为未来的作物改良提供了技术储备。

尽管前景光明，科学家们仍面临许多挑战：这种突变是否会对其他植物特性产生负面影响？在不同气候和土壤条件下，这一策略能否始终保持高效？这些问题需要进一步的田间试验来回答。此外，如何将这一技术与精准农业相结合，实现大规模推广，也是未来研究的重要方向。

从地下的微生物到田间的作物，这项研究描绘了一幅人与自然和谐共生的美好图景。通过对CNGC15的基因改造，科学家不仅为植物的“地下盟友”谱写了新的合作乐章，也为全球农业的绿色转型注入了新动力。这场生物革命正从根系出发，向更深远的未来延伸。

让我们期待，这一发现能在不久的将来真正惠及全球农业，为绿色地球铺就更广阔的希望之路。

文字写作：xiaoX

责任编辑：er不er

文章编号：334

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08424-7

来源：微生物组