2024年4月26日，国际著名学术期刊Nature Communications在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心谢芳研究组题为“RinRK1 enhances NF receptors accumulation in nanodomain-like structures at root-hair tip”的研究论文。该研究揭示了百脉根类受体激酶RinRK1促进结瘤因子（NF）受体在根毛质膜纳米域调控根瘤菌侵染的分子机理。

豆科植物和根瘤菌之间的共生固氮体系，被认为是固氮效率最高且最有农业应用价值的生物固氮方式。这种共生体系不仅满足了豆科植物自身对氮素的需求，还能为与豆科植物轮作、间套作的非豆科作物提供氮素营养。

形成具有固氮能力的根瘤依赖于发生在表皮细胞的根瘤菌侵染和皮层细胞的根瘤器官的形成。这两个过程在空间上相对独立，但在时间上需要高度协调。根瘤菌分泌的结瘤因子（Nodulation Factor，NF）是共生固氮中最重要的信号分子，它调控根瘤菌侵染和根瘤器官的形成。研究组前期研究发现，NF信号是根瘤器官形成的充要条件（Liu et al., 2022; Luo et al., 2023）。在百脉根中，NF受体是LysM类受体激酶NFR1（Nod Factor Receptors 1）和NFR5，其胞内激酶域足以激活根瘤器官的形成。NF受体胞外域对根瘤菌侵染至关重要，但NF受体的胞外域如何识别根瘤菌信号并调控侵染过程目前尚不清楚。质膜纳米域（Nanodomain）作为一个细胞信号转导平台，受体类蛋白通常会在质膜纳米域中聚集，有助于细胞快速且特异地响应不同的环境信号。研究组前期鉴定到一个LRR类受体激酶RinRK1（Rhizobial Infection Receptor-like Kinase 1），它受NF诱导表达，特异调控侵染线形成（Li et al., 2019）。然而，RinRK1调控侵染线形成的分子机理尚不清楚。

该研究发现RinRK1与NF受体（NFR1和NFR5）胞外结构域相互作用。RinRK1定位于细胞质膜中，并存在于质膜DRM（Detergent Resistant Membrane）组分中。此外，根瘤菌分泌的NF信号可以促进RinRK1在根毛顶端纳米域聚集，并且这一过程依赖NF受体的存在。同时，NF信号促进NFR1和NFR5在根毛顶端纳米域聚集，这一过程依赖于RinRK1。通过双分子荧光互补实验揭示，RinRK1与NFR1/5互作在根毛质膜，而根瘤菌可以增强RinRK1与NFRs在根毛顶端纳米域的互作。这一发现表明根瘤菌分泌的NF信号可以促进RinRK1与NFR1/5在根毛顶端纳米域形成受体复合体。

Flotillin是纳米域的标记蛋白，我们发现百脉根中的Flot1受根瘤菌诱导，在根毛、根瘤原基以及成熟根瘤的维管束中表达。突变体研究显示，Flot1缺失会导致根瘤菌侵染事件减少，表明Flot1对于侵染线的形成起着重要作用。进一步研究发现，NF信号促进Flot1在根毛顶端聚集；且RinRK1和NFR1/5响应NF信号在根毛顶端纳米域的聚集依赖于Flot1。而且，Flot1能够与NFR1/5和RinRK1的胞内结构域发生相互作用。RinRK1能够促进Flot1与NFR1/5的互作，而Flot1与NFR1/5响应NF信号在根毛顶端聚集也需要RinRK1的参与。

此外，研究发现NFR1不仅具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性，还具有酪氨酸磷酸化活性。实验结果显示，NFR1的丝氨酸/苏氨酸和酪氨酸磷酸化活性对其响应NF信号在根毛顶端聚集和共生结瘤中都起着关键作用。

综上所述，该研究结果揭示了RinRK1如何通过胞外结构域与NF受体互作，通过胞内结构域与纳米域蛋白Flot1互作，以及NF信号如何促进NFR1/5-RinRK1-Flot1复合体在根毛顶端纳米域聚集。RinRK1和Flot1在质膜特定信号平台对NF受体复合体的组装起着关键作用，从而促进根瘤菌侵染过程。这对于研究质膜上的受体复合体如何响应根瘤菌信号进而调控侵染线的形成具有重要的意义。

分子植物科学卓越创新中心谢芳研究组博士生周宁是该论文的第一作者，谢芳研究员是该论文的通讯作者。谢芳研究组副研究员李晓琳、研究助理刘静、已毕业的博士生郑志琼和英国John Innes Centre的J. Allan Downie教授都参与了该项工作。该研究得到了中国科学院青年科学家基础研究项目、中国科学院重点研究项目、上海市学术/技术带头人计划和上海市自然科学基金的支持。

侵染特异纳米域的组装模型