7月23日，南京农业大学资源与环境科学学院、中国工程院院士沈其荣团队在国际权威期刊Cell发表题为″Trichoderma swollenin activates AtABCB5-dependent auxin efflux to promote plant development″的研究论文，论文揭示了哈茨木霉分泌类膨胀蛋白（ThSWO）调控植物生长的一条重要分子通路，首次阐明木霉效应蛋白靶向激活拟南芥AtABCB5生长素转运蛋白、调控植物内源生长素外排及相关响应，为微生物肥料提质、作物绿色增产开辟全新分子靶点与应用路径。
木霉是农业生产中广泛应用的有益真菌，能够促进根系发育、改善植物营养并增强植物抗逆境能力。以往研究发现，木霉可以通过植物激素、挥发性物质和其他活性代谢产物促进植物生长，其分泌的ThSWO还能够改变植物细胞壁结构，帮助真菌在根表附着和定殖。然而，ThSWO是否仅发挥细胞壁松弛作用，还是进一步到达植物细胞表面，进而识别特定宿主蛋白并直接调控植物生长发育？
围绕这一科学问题，研究团队聚焦哈茨木霉分泌的ThSWO促进植物生长发育的分子机制研究。团队首先通过基因敲除、回补、蛋白外源施加三组对照体系验证ThSWO的核心功能：缺失ThSWO的突变木霉根系定殖能力大幅下降，无法激活植物内源生长素信号DR5 报告通路，缺失Thswo后，木霉诱导的侧根增加及DR5报告信号增强均消失；回补Thswo则能够恢复这些表型；单独体外纯化ThSWO蛋白直接处理拟南芥幼苗，无需木霉菌体存在，就能独立诱导生长素相关细胞反应，且植株内源游离 IAA 总量并未上升，表明ThSWO引起的DR5响应增强并非源于植物体内生长素总量的简单增加，而更可能与局部生长素运输和响应格局的改变有关。借助免疫共沉淀-质谱、双杂、双分子荧光互补等互作验证技术，团队锁定定位于细胞膜的ABC转运蛋白，进一步鉴定出质膜ABC转运蛋白AtABCB5是ThSWO发挥促生作用的一个关键宿主靶标。遗传学实验显示，在abcb5突变体中，ThSWO促进根系发育和增强DR5报告信号的作用均显著受阻。此前，植物AtABCB5的底物运输功能尚未得到明确解析。
本研究通过异源细胞和植物原生质体转运实验，首次证明AtABCB5能够介导IAA外排，并发现ThSWO可进一步增强其生长素外排活性。
团队结合扫描电镜、原子力显微镜、免疫电镜和质壁分离实验，获得了ThSWO改变细胞壁结构、穿过细胞壁并到达质膜区域的多层次证据。
图1 膨胀蛋白ThSWO穿过植物细胞壁过程
ThSWO穿过细胞壁后与质膜区域发生稳定关联。分子模拟进一步预测，ThSWO可能结合于AtABCB5的NBD2/R结构域一侧；这一界面随后获得了定点突变和结合实验的支持。ThSWO 结合后会影响转运蛋白长程变构通讯网络，ThSWO结合与AtABCB5调控结构域中Ser640和Ser644位点磷酸化水平的升高相关。通过突变实验证明，这两个位点对ThSWO进一步增强IAA外排至关重要。体外细胞转运实验证实该磷酸化修饰是激活转运活性的关键开关：模拟磷酸化突变体无需ThSWO即可维持高强度生长素外排，而磷酸化缺失突变体仍保留一定的基础IAA外排能力，但不再对ThSWO表现出显著的进一步增强响应。随着AtABCB5介导的生长素外排增强，植物根系进一步表现出细胞壁酸化、细胞膜电位动态变化和胞质环流加快等生长素相关细胞生理响应。在发育层面，ThSWO处理与侧根原基起始数量增加以及根伸长区扩大相伴随，最终促进植物根系发育。由此构建出一条较为完整的作用链条：ThSWO穿过植物细胞壁并到达质膜区域，与AtABCB5发生互作，通过调控其R结构域磷酸化增强IAA外排，进而诱导一系列生长素相关细胞反应和根系发育变化。
图2 膨胀蛋白ThSWO与AtABCB5分子动力学分析
为评估ThSWO的农业应用潜力，团队进一步在水稻转基因材料和多种作物蛋白施用试验中开展验证：水稻异源表达ThSWO株系籽粒产量提升41.3%，使用ThSWO蛋白灌根、喷施后，玉米、小麦、青菜、萝卜产量分别提升7.9%、6.7%、13.5%、35.2%；同时ThSWO处理伴随着部分作物根际细菌多样性和群落组成的变化。
该研究首次提出″有益真菌效应蛋白-植物ABC生长素转运蛋白″互作调控模型，区别于病原微生物劫持激素通路实现侵染的致病逻辑，清晰阐明了有益真菌通过靶向激活宿主激素转运系统，实现有益真菌定殖及促生过程的全新范式，填补了植物-有益真菌跨界信号传导领域的机制盲区。不同于过往聚焦微生物代谢小分子的研究思路，该工作把研究重心放在真菌分泌蛋白与宿主膜转运机器的直接互作，拓展了根际菌植互作的研究维度，同时提出了ThSWO与潜在宿主转运蛋白靶点的互作焦点，为微生物蛋白制剂开发和作物根系性状改良提供了新的候选分子通路和分子资源。
图3 膨胀蛋白对不同作物的田间促生效果
该成果不仅夯实生物有机肥、微生物菌剂开发的分子理论基础，也为作物根系改良、高产育种提供全新基因靶点，助力我国农业绿色可持续发展与粮食安全保障。
论文链接：
https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(26)00761-0
来源: 南京农业大学