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https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.19766
研究亮点
来自阿根廷和法国的联合研究团队揭示了豆科植物蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）中LBD（Lateral Organ Boundaries Domain）转录因子家族成员MtLBD17/29a在调控侧根形成和根瘤共生过程中的关键作用。这一发现为我们理解豆科植物的固氮机制提供了新的视角，并为农业遗传改良提供了潜在的分子靶点。
研究背景
侧根和共生结瘤是豆科植物在胚胎发育后期形成的两种关键根器官类型，对于固定氮元素至关重要。LBD家族的转录因子在植物侧根器官的发育调控中扮演着核心角色，并且参与了植物再生、花粉成熟、光形态建成、活性氧(ROS)介导的径向生长、与病原真菌、细菌和线虫的相互作用，以及与固氮细菌的共生互作等多个重要生理过程。本研究以模式豆科植物蒺藜苜蓿 (Medicago truncatula) 为研究对象，深入解析了LBD转录因子在根发育和共生结瘤形成中的重要作用。
主要发现
1. 鉴定LBD转录因子 MtLBD17/29a
通过分析miR390过表达的苜蓿（Medicago truncatula）根（OX390）与对照组在接种根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）后的转录组数据，研究人员鉴定了一个LBD家族的转录因子MtLBD17/29a。该转录因子在对照组的根中对根瘤菌有明显的上调表达响应，然而在OX390株系或MtARF2/3/4沉默株系的根中，这种上调表达并未发生（图2a和2b），表明MtLBD17/29a的表达受到miR390/TAS3/ARFs模块的调控。此外，ChIP-qPCR实验的结果进一步证实了MtARF2能够直接与MtLBD17/29a的启动子区域结合，从而将其确认为MtARF2的直接靶基因（图2c和2d）。以上研究结果表明MtLBD17/29a很可能与miR390/TAS3/ARFs模块共同参与了对苜蓿根发育和根瘤共生过程的调控。
图(1a) miR390过表达根系在共生和非共生条件下的转录组分析实验设计
图2 MtLBD17/29a是miR390/TAS3/ARFs模块的靶标。(a) 不同转录因子家族成员在根瘤菌接种与水处理后的表达热图；(b) MtLBD17/29a在EV、OX390、GUS RNAi和ARF2/3/4 RNAi转基因根中的表达水平 (c) MtLBD17/29a启动子区域的生长素响应元件ARE分布；(d) ChIP-qPCR分析MtARF2与MtLBD17/29a启动子的结合情况。
2. MtLBD17/29a在根发育中的功能
MtARF2、MtARF3 和 MtARF4 主要调节根系结构发育，而MtLBD17/29a又是MtARF2的直接靶标，暗示MtLBD17/29a也可能参与调控根系形态建成。研究人员通过构建GFP-GUS融合报告基因，发现MtLBD17/29a主要表达在主根和侧根的分生组织以及转动后形成的侧根原基中，这些表达区域与根系的发育紧密相关（图4）。进一步的敲低实验显示，MtLBD17/29a的表达降低会导致主根和侧根长度的减少，同时伴随着侧根密度的增加，过表达则有相反的表型（图5）。
图4：MtLBD17/29a在主根和侧根中的表达分析，使用pMtLBD17/29a: GFP-GUS报告基因构建体转化的主根和侧根中GFP和GUS的表达。ELR：新兴侧根区；LR：侧根；LRP：幼苗转动135°以诱导侧根形成后48小时形成的侧根原基；PR：主根。
图5：MtLBD17/29a的敲低和过表达对根系结构的影响
3. MtLBD17/29a在根瘤共生中的作用
影响固氮的另一重要因素是根瘤的形成，根瘤菌和豆科植物之间共生相互作用的建立涉及Nod因子信号通路，而MtNIN作为一个在根瘤共生过程中发挥核心作用的关键转录因子，对根瘤的形成和发育至关重要。研究结果表明MtLBD17/29a响应根瘤菌的诱导是依赖于MtNIN，在功能丧失的 nin 突变体中 MtLBD17/29a不再响应Nod 因子处理（图6a）。此外，无论是敲低还是过表达MtLBD17/29a都显著影响了根瘤的形成和根瘤菌的感染过程（图7），表明MtLBD17/29a直接参与调控根瘤共生。
图 6 (a) 展示了在野生型和不同突变体背景下，经Nod因子处理后MtLBD17/29a的表达水平变化。
图7 MtLBD17/29a的敲低和过表达对根瘤形成和根瘤菌感染的影响。
结论
本研究通过转录组分析和分子生物学实验，揭示了苜蓿中LBD家族转录因子MtLBD17/29a在调控侧根形成和根瘤共生过程中的关键作用。研究发现MtLBD17/29a受到miR390/TAS3/ARFs模块的调控，并且是MtARF2的直接靶标。MtLBD17/29a的敲低会减少主根和侧根的长度并增加侧根密度，同时会影响根瘤菌感染过程，减少结瘤数目。结合先前已有的研究，研究人员提出了一个新的模型，描述了miR390/TAS3/ARFs、MtLBD17/29a和Nod因子信号通路在调控根发育和共生结瘤形成中的相互作用。为提高豆科植物固氮效率提供了新的策略。
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