中国科学院遗传与发育生物学研究所、崖州湾国家实验室的田志喜团队，联合中国科学院院士李家洋团队、中国科学院分子植物科学卓越创新中心谢芳团队，以及美国康奈尔大学Jeff J. Doyle团队，对16个豆科物种和32个非豆科物种进行了谱系基因组学分析。研究揭示了豆科植物在进化过程中通过基因获得、基因丢失和保守基因利用来适应根瘤共生固氮的现象。
研究团队构建了48个物种的同源基因簇，发现豆科植物通过基因复制获得了一系列基因，并且这些获得的基因在黄酮类合成途径上富集。特别是，CHI重复基因经历结构变异和功能转变，其中CHI1A的表达能够增强豆科植物的结瘤能力。这些发现表明，黄酮类合成途径中基因的复制和新功能化在豆科植物根瘤共生固氮的进化过程中发挥了重要作用。
此外，研究还发现，Lateral suppressor（Ls）基因在非豆科物种中有同源基因，但在豆科物种中却没有。将来源于番茄的Ls基因以及来源于水稻的Ls同源基因MonOCULM 1（MOC1）和Os7基因导入大豆和蒺藜苜蓿后，导致这些植物几乎完全丧失了结瘤能力。进一步分析显示，Ls、MOC1和Os7可以与NSP2和CYCLOPS互作，抑制NSP2/NSP1和CCaMK/CYCLOPS复合体对NIN基因的转录激活作用，从而抑制NIN的表达和结瘤过程。这一发现表明，Ls基因的丢失对于豆科植物根瘤共生固氮能力的演化是必要的。
与此同时，研究还发现植物保守的组织蛋白酶H蛋白可以与Ls、MOC1和Os7相互作用，并影响豆科植物的结瘤能力。大约一半的植物保守基因在豆科植物响应根瘤菌时发生了差异表达，这提示这些保守的同源基因簇可能是通过反向遗传学研究根瘤共生固氮机制的候选基因。
综上所述，豆科植物对根瘤菌共生固氮的适应性进化涉及到了植物保守基因、豆科获得基因以及豆科丢失基因的共同作用。这一系列发现为理解豆科植物根瘤共生固氮的分子机制提供了新的视角，并为未来的相关研究指明了方向。
本研究得到了国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项的支持。
