豆科植物具有根系固氮的能力。准确来说，是豆科植物能够与根瘤中的根瘤菌（Rhizobia）形成共生关系，可以将空气中的氮固定保留下来供给植物利用。这一特点使豆科作物成为环境友善型农作物，在外来输入资源匮乏时，可以通过种植豆科作物补充耕地中的养分。
共生固氮是自然界生物可用氮的最大天然来源，影响着农业和自然生态系统中的初级生产和碳汇。固氮被子植物进化枝中的一部分植物进化出根瘤来容纳根瘤菌以进行共生固氮。由于共生固氮是一个耗能过程，需要大量还原碳，因此可能受植物可用光的调节；光被认为是驱动自然生态系统中共生固氮的主要因素。
最近，河南大学王学路教授与孙世勇教授的研究证明了光诱导大豆TGACG基因结合因子3/4(GmSTF3/4)和FLOWERING LOCUS T (GmFTs)，它们从枝条移动到根部，相互依赖地诱发根瘤器官生长，并探究了光驱动共生固氮的分子机制。相关研究工作以“Light-induced mobile factors from shoots regulate rhizobium-triggered soybean root nodulation”为题，发表在最新一起《Science》上。“高分子科学前沿”小编在web of science中以“Henan University”和“Science”为关键词检索，这篇论文系河南大学第一篇Science。
【光照诱发根瘤】
在大豆中，成功的共生根瘤需要根瘤菌感染和根瘤器官发生。该研究中，作者在光照或连续黑暗中用Bradyrhizobium菌株USDA110接种了广泛使用的大豆品种Williams 82 (Ws82)。感染线和结节在光线下形成，在黑暗中不形成。在接种USDA110后将幼苗置于光照或连续黑暗中。接种后1天(dpi)，黑暗中的感染线形成略低于光照，但在黑暗中几乎完全没有形成结节。表明光信号和光合作用可能对这两个过程有不同的调节。作者使用不同波长的红光和蓝光评估这些过程，得出结论：光合作用足以感染根瘤菌，而蓝光信号是根瘤器官发生的关键。
光照影响大豆共生根瘤形成。
【来自芽的光诱导因子调节根瘤形成】
经过2天的黑暗预处理后，作者分别照亮芽、根或整个幼苗。感染线在每种光照条件下都会形成，但无论根是否被光照，根瘤只在芽被光照时形成。表明根瘤形成需要源自芽的光诱导信号，而芽衍生的信号是由蓝光诱导的，其中GmSTF3/4和GmFTs都是来自芽的光诱导移动信号，可调节大豆根瘤的形成。
来自芽的光诱导的GmSTFs和GmFTs调节根瘤形成。
【根瘤菌激活的GmCCaMK磷酸化GmSTF3】
为了鉴定接种根瘤菌后可以磷酸化GmSTF3的激酶，作者使用来自根瘤菌接种的GmSTF3-FLAG转基因大豆根的免疫沉淀GmSTF3-FLAG进行液相色谱-串联质谱分析。也鉴定了一种对应于GmCCaMK的肽，这是一种核钙/钙调素依赖性蛋白激酶，作用于根瘤菌激活的共生信号通路中并确定豆类中的根瘤菌感染和结节器官发生。并通过体外和体内试验证明了GmCCaMK和GmSTF3之间的物理相互作用。结果表明，根瘤菌激活的GmCCaMK在体内磷酸化GmSTF3。
GmCCaMK 磷酸化 GmSTF3。
【CCaMK-STF-FT模块调节结节形成】
根瘤形成所需的根瘤菌激活的信号级联通过激活CCaMK进行转导，进而磷酸化转录调节因子CYCLOPS以触发根瘤菌诱导基因的表达，这些基因决定了感染和根瘤器官的发生。光诱导的移动因子GmFTs和GmSTF3/4对于根瘤菌诱导的NIN、NF-YA1和NF-YB1的表达是必不可少的。实验证明，GmCCaMK不影响GmSTF3的DNA结合能力，而是促进GmFT2a-GmSTF3复合物的转录活性；GmSTF3和CYCLOPS可能同时发挥调节结节形成的作用。
GmCCaMK-GmSTF-GmFT模块诱导大豆结瘤。
【结论】
该研究发现芽感知光信号促进了大豆共生根瘤的形成，是由于光诱导的大豆TGACG基序结合因子(GmSTF3/4)和GmFTs，它们从枝条移动到根部，相互依赖地诱导根瘤器官发生。根瘤菌激活的依赖性CCaMK磷酸化GmSTF3，触发GmSTF3–GmFT2a复合物形成，从而直接激活根瘤发生(NIN)和核因子Y(NF-YA1和NF-YB1)的表达。因此，CCaMK-STF-FT模块将地上光信号与地下共生信号相结合，确保宿主植物根部感知到地上环境已准备好可持续地提供共生所需的碳水化合物。这些结果提出了增强自然界中碳和氮平衡的方法。
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