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研究背景
促进植物和土壤微生物之间的互利关系，增强植物对养分的获取，可以在不增加无机肥料使用的情况下提高作物产量。一种突变会导致植物细胞核中称为CNGC15的通道中的氨基酸替换，从而促进这种内共生关系的形成。
豆科植物，如苜蓿，与丛枝菌根真菌（AMF）和固氮细菌（称为根瘤菌）形成互利关系。这些关系被称为内共生，可以改善植物的营养吸收。在M.truncatula中，一种名为CNGC15的通道——CNGC钙离子（Ca2+）通道家族的成员——与另一种名为DMI11的通道形成复合物，通过在植物细胞核中产生Ca2+振荡来响应来自内共生微生物的分子信号。这些振荡是建立土壤微生物和植物根系之间的内共生关系所必需的，因此对养分获取至关重要。尽管哺乳动物的CNGC通道是由环核苷酸的结合来门控的，但植物CNGC的这种调控的证据是有限的，并且已经提出了涉及钙调素（CaM）蛋白质的替代门控机制。然而，研究发现，蒺藜状苜蓿中与Ca2+结合的CaM2是关闭而非打开CNGC15所必需的。我们试图解决两个关键问题：在这种植物中CNGC15开放的分子机制是什么，DMI1在其与CNGC15的复合物中的具体作用是什么？
研究天然膜环境中的离子通道至关重要，因为它们的结构、功能和调节受到周围脂质分子的复杂影响。然而，在活体植物中使用传统的电生理方法时，研究DMI1和CNGC15等位于核膜（一种包围细胞核并包含核孔的双层膜）中的通道是一个挑战。
研究结果
为了克服这些障碍，我们结合了蒺藜状苜蓿的遗传方法和钙成像，以鉴定编码CNGC15的基因中的突变，这些突变可以使其功能与DMI1脱钩。筛选一组具有化学诱导突变的植物，发现一种突变会导致蒺藜状苜蓿CNCG15第一个跨膜螺旋中的单个氨基酸替换（图1a）。这种取代导致CNCG15独立于DMI1或根瘤菌和AMF分泌的分子而激活自身。突变体CNCG15与CaM2相互作用，维持自发的核Ca2+振荡，其频率是内共生体分泌的分子诱导的频率的一半（图1b）。值得注意的是，只有当DMI1存在时，分泌的分子才会增加Ca2+振荡频率。总之，这些结果表明，DMI1就像一个起搏器，对于设置核Ca2+振荡的频率以实现内共生至关重要。出乎意料的是，在具有CNGC15突变的蒺藜状苜蓿中观察到的低频Ca2+振荡对生物体进行了重新编程，以增强其有益代谢物黄酮类化合物的产生，这显著增加了与固氮细菌和AMF的关联。我们表明，CNGC15突变带来的益处不仅限于豆类；小麦中的等效突变增强了AMF的定殖和田间条件下的养分获取。
