2026年1月30日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究员团队，中国科学院昆明植物研究所伊廷双研究员团队，山东农业大学李德铢研究员团队合作在Cell Press 细胞出版社期刊Cell Host & Microbe上在线发表题为“Evolution of Root Nodule Symbiosis via Paleopolyploidy and Modular Pathway Rewiring”的研究论文。该研究在解锁植物共生固氮的秘密，破译根瘤共生演化密码研究中取得重要进展。

植物根瘤共生（RNS）是自然界最高效的生物固氮系统，可支撑植物在缺氮土壤中正常生长发育，但其起源与演化机制，长期以来一直是植物学领域悬而未解的核心难题。近日，一项全新研究整合多组学技术与功能验证手段，首次在单基因分辨率下解析了根瘤共生调控网络的完整演化历程，搭建起这一复杂性状演化的统一分子框架，相关成果为非固氮作物的固氮工程化改造奠定了关键理论基础。

根瘤共生固氮并非植物的普遍特性，该能力仅存在于由葫芦目、豆目、壳斗目、蔷薇目构成的“固氮支系”中，且在支系包含的28个科里，仅有10个科具备此能力。学界关于根瘤共生固氮的起源，长期存在单次起源后多次丢失与多次独立起源获得两种核心假说，但始终缺乏单基因层面的系统性机制解析。传统基因编辑与突变体研究，虽已鉴定出众多参与固氮过程的关键基因，却难以完整勾勒出共生固氮全调控网络的演化脉络。

本次研究创新性建立专属系统发育分析方法，成功突破基因组重排与基因重复带来的研究瓶颈；研究聚焦根瘤共生基因调控网络演化核心问题，深度解析194个已发表基因组数据及10个新测序基因组数据，实现固氮支系全部10个科、豆科6个亚科的全基因组覆盖，最终首次在单基因水平上，清晰解析出根瘤共生基因调控网络的完整演化架构，通过追溯核心基因的起源与演化轨迹，成功绘制出共生固氮性状的全流程演化蓝图（图1）。

研究取得三项核心突破性成果：

1. 证实核心真双子叶植物的γ古六倍体事件，为根瘤共生关键基因的诞生提供了核心分子基础，NIN、CNGCa等核心基因正是在此阶段通过基因复制与功能分化形成，成为根瘤共生调控网络组装的核心基石；

2. 明确根瘤共生初始调控网络（含523个基因）起源于固氮支系的共同祖先，该网络通过模块化招募策略，整合重排菌根共生、硝酸盐响应、胁迫响应三大通路的基因构建而成；其中菌根共生相关基因招募规模远超预期，构成网络核心骨架；硝酸盐通路关键转录因子NIN通过“一拖多”模式，实现对氮信号通路的核心整合与精准调控；胁迫响应通路则负责稳定根瘤微环境，关键基因GT-4调控缺氧响应，保障根瘤固氮功能稳定运转；

3. 揭示豆科植物共生体形成的趋同进化机制：SymSTK激酶与NPL基因在不同豆科支系中被独立招募，二者协同调控细胞壁重塑与共生细菌释放，维持共生体功能稳态；突变体功能验证进一步证实，这两个基因对根瘤正常形成及植物固氮能力至关重要；

值得关注的是，该研究构建了一套可推广的复杂性状演化研究范式，将单基因分辨率系统发育分析、AI辅助解析与多维度功能验证深度融合，为解析其他植物复杂性状的时空演化规律及调控架构提供了标准化路径。

综上，该研究首次搭建起根瘤共生演化的统一分子框架，清晰阐明植物根瘤共生这一复杂性状，从基因创新、网络组装到功能优化的全流程演化机制，填补了植物共生进化领域的关键理论空白；更重要的是，研究鉴定的核心基因与核心调控模块，为水稻、小麦等非固氮作物的固氮性状人工设计提供了精准靶点与完整调控蓝图，对推动农业绿色低碳转型具有重要意义。

分子植物卓越中心王二涛研究员、张晓伟研究员，中国科学院昆明植物研究所伊廷双研究员，山东农业大学李德铢研究员作为文章共同通讯作者。王二涛研究组的侯玲博士后，兰丽影博士，伊廷双研究组刘晖副研究员，王丁洁博士，以及李德铢研究组张荣副研究员作为共同第一作者。分子植物卓越中心王二涛研究组杨军正高级工程师，冯欢博士和叶俊杰博士，以及该中心Jeremy D. Murray研究员也参与部分研究和讨论。

论文链接：https://www.cell.com/cell-host-microbe/abstract/S1931-3128(26)00001-6

图1 共生固氮的演化全景图