Autoactive CNGC15 enhances root endosymbiosis in legume and wheat

内共生 豆类 词根(语言学) 生物 农学 植物 哲学 语言学 质体 基因 遗传学 叶绿体
作者
Nicola Cook,Giulia Gobbato,Catherine N. Jacott,Clémence Marchal,C Y Hsieh,Anson Ho Ching Lam,James Simmonds,Pablo del Cerro,Pilar Navarro Gomez,C. Jubilado Rodney,Neftaly Cruz‐Mireles,Cristóbal Uauy,Wilfried Haerty,David M. Lawson,Myriam Charpentier
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
标识
DOI:10.1038/s41586-024-08424-7
摘要

Abstract Nutrient acquisition is crucial for sustaining life. Plants develop beneficial intracellular partnerships with arbuscular mycorrhiza (AM) and nitrogen-fixing bacteria to surmount the scarcity of soil nutrients and tap into atmospheric dinitrogen, respectively 1,2 . Initiation of these root endosymbioses requires symbiont-induced oscillations in nuclear calcium (Ca 2+ ) concentrations in root cells 3 . How the nuclear-localized ion channels, cyclic nucleotide-gated channel (CNGC) 15 and DOESN’T MAKE INFECTIONS1 (DMI1) 4 are coordinated to specify symbiotic-induced nuclear Ca 2+ oscillations remains unknown. Here we discovered an autoactive CNGC15 mutant that generates spontaneous low-frequency Ca 2+ oscillations. While CNGC15 produces nuclear Ca 2+ oscillations via a gating mechanism involving its helix 1, DMI1 acts as a pacemaker to specify the frequency of the oscillations. We demonstrate that the specificity of symbiotic-induced nuclear Ca 2+ oscillations is encoded in its frequency. A high frequency activates endosymbiosis programmes, whereas a low frequency modulates phenylpropanoid pathways. Consequently, the autoactive cngc15 mutant, which is capable of generating both frequencies, has increased flavonoids that enhance AM, root nodule symbiosis and nutrient acquisition. We transferred this trait to wheat, resulting in field-grown wheat with increased AM colonization and nutrient acquisition. Our findings reveal a new strategy to boost endosymbiosis in the field and reduce inorganic fertilizer use while sustaining plant growth.
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