New Phytologist | 探索蒺藜苜蓿的根系和根瘤发育新机制

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。

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。

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

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。

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。