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https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.19766
研究亮點
來自阿根廷和法國的聯合研究團隊揭示了豆科植物蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）中LBD（Lateral Organ Boundaries Domain）轉錄因子家族成員MtLBD17/29a在調控側根形成和根瘤共生過程中的關鍵作用。這一發現為我們了解豆科植物的固氮機制提供了新的視角，并為農業遺傳改良提供了潛在的分子靶點。
研究背景
側根和共生結瘤是豆科植物在胚胎發育後期形成的兩種關鍵根器官類型，對于固定氮元素至關重要。LBD家族的轉錄因子在植物側根器官的發育調控中扮演着核心角色，并且參與了植物再生、花粉成熟、光形态建成、活性氧(ROS)介導的徑向生長、與病原真菌、細菌和線蟲的互相作用，以及與固氮細菌的共生互作等多個重要生理過程。本研究以模式豆科植物蒺藜苜蓿 (Medicago truncatula) 為研究對象，深入解析了LBD轉錄因子在根發育和共生結瘤形成中的重要作用。
主要發現
1. 鑒定LBD轉錄因子 MtLBD17/29a
通過分析miR390過表達的苜蓿（Medicago truncatula）根（OX390）與對照組在接種根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）後的轉錄組資料，研究人員鑒定了一個LBD家族的轉錄因子MtLBD17/29a。該轉錄因子在對照組的根中對根瘤菌有明顯的上調表達響應，然而在OX390株系或MtARF2/3/4沉默株系的根中，這種上調表達并未發生（圖2a和2b），表明MtLBD17/29a的表達受到miR390/TAS3/ARFs子產品的調控。此外，ChIP-qPCR實驗的結果進一步證明了MtARF2能夠直接與MtLBD17/29a的啟動子區域結合，進而将其确認為MtARF2的直接靶基因（圖2c和2d）。以上研究結果表明MtLBD17/29a很可能與miR390/TAS3/ARFs子產品共同參與了對苜蓿根發育和根瘤共生過程的調控。
圖(1a) miR390過表達根系在共生和非共生條件下的轉錄組分析實驗設計
圖2 MtLBD17/29a是miR390/TAS3/ARFs子產品的靶标。(a) 不同轉錄因子家族成員在根瘤菌接種與水處理後的表達熱圖；(b) MtLBD17/29a在EV、OX390、GUS RNAi和ARF2/3/4 RNAi轉基因根中的表達水準 (c) MtLBD17/29a啟動子區域的生長素響應元件ARE分布；(d) ChIP-qPCR分析MtARF2與MtLBD17/29a啟動子的結合情況。
2. MtLBD17/29a在根發育中的功能
MtARF2、MtARF3 和 MtARF4 主要調節根系結構發育，而MtLBD17/29a又是MtARF2的直接靶标，暗示MtLBD17/29a也可能參與調控根系形态建成。研究人員通過建構GFP-GUS融合報告基因，發現MtLBD17/29a主要表達在主根和側根的分生組織以及轉動後形成的側根原基中，這些表達區域與根系的發育緊密相關（圖4）。進一步的敲低實驗顯示，MtLBD17/29a的表達降低會導緻主根和側根長度的減少，同時伴随着側根密度的增加，過表達則有相反的表型（圖5）。
圖4：MtLBD17/29a在主根和側根中的表達分析，使用pMtLBD17/29a: GFP-GUS報告基因建構體轉化的主根和側根中GFP和GUS的表達。ELR：新興側根區；LR：側根；LRP：幼苗轉動135°以誘導側根形成後48小時形成的側根原基；PR：主根。
圖5：MtLBD17/29a的敲低和過表達對根系結構的影響
3. MtLBD17/29a在根瘤共生中的作用
影響固氮的另一重要因素是根瘤的形成，根瘤菌和豆科植物之間共生互相作用的建立涉及Nod因子信号通路，而MtNIN作為一個在根瘤共生過程中發揮核心作用的關鍵轉錄因子，對根瘤的形成和發育至關重要。研究結果表明MtLBD17/29a響應根瘤菌的誘導是依賴于MtNIN，在功能喪失的 nin 突變體中 MtLBD17/29a不再響應Nod 因子處理（圖6a）。此外，無論是敲低還是過表達MtLBD17/29a都顯著影響了根瘤的形成和根瘤菌的感染過程（圖7），表明MtLBD17/29a直接參與調控根瘤共生。
圖 6 (a) 展示了在野生型和不同突變體背景下，經Nod因子處理後MtLBD17/29a的表達水準變化。
圖7 MtLBD17/29a的敲低和過表達對根瘤形成和根瘤菌感染的影響。
結論
本研究通過轉錄組分析和分子生物學實驗，揭示了苜蓿中LBD家族轉錄因子MtLBD17/29a在調控側根形成和根瘤共生過程中的關鍵作用。研究發現MtLBD17/29a受到miR390/TAS3/ARFs子產品的調控，并且是MtARF2的直接靶标。MtLBD17/29a的敲低會減少主根和側根的長度并增加側根密度，同時會影響根瘤菌感染過程，減少結瘤數目。結合先前已有的研究，研究人員提出了一個新的模型，描述了miR390/TAS3/ARFs、MtLBD17/29a和Nod因子信号通路在調控根發育和共生結瘤形成中的互相作用。為提高豆科植物固氮效率提供了新的政策。
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