陕西
大豆是重要的粮、油、饲兼用作物。由于大豆根系能够与根瘤菌共生，形成天然高效的“固氮工厂”—根瘤，而具有重要的绿色生态效益。在生产中，减少氮肥投入配合接种高效根瘤菌技术，能显著提高氮、磷养分及大豆产量 （Qin et al., 2012） 。因此，充分发挥豆科作物的生物固氮作用，对农业减肥增效具有重要意义。结瘤是受多基因调控的复杂过程，宿主与根瘤菌信号识别后，根瘤菌侵染根毛形成侵染线是根瘤器官发生的重要步骤。在侵染时，宿主细胞壁会发生重塑，暗示了细胞壁可能是根瘤形成的第一屏障。近年来，有研究报道细胞壁松弛或局部降解对根瘤菌侵染起到重要作用，然而其调控机制还有待于深入挖掘。
近日，福建农林大学廖红团队李欣欣课题组在New Phytologist在线发表了题为“Molecular module GmPTF1a/b-GmNPLa regulates rhizobia infection and nodule formation in soybean”的研究论文。该研究延续了团队前期的工作，揭示了GmPTF1 (bHLH型转录因子) 在调控大豆结瘤中的功能，阐明了其通过与E-box结合调控果胶裂解酶基因GmNPLa的表达，进而调控根瘤菌侵染线形成、提高大豆结瘤能力的机制。
该研究利用根瘤菌侵染存在明显差异的遗传材料进行转录组分析，发现一类细胞壁裂解酶基因GmNPLa/b显著受根瘤菌诱导表达并参与调控根瘤菌侵染线的形成（图1A）。同时，根瘤菌侵染能增强bHLH型转录因子GmPTF1a/b在高结瘤材料中的表达；进一步利用突变体及过表达遗传材料阐明了GmPTF1a/b参与根瘤菌侵染及根瘤形成的功能（图1B）。
图1. GmNPLa与GmPTF1a/b调控大豆结瘤的功能分析
进一步利用GmNPLa启动子区段分析结合分子及生化相关试验 (图2)，证实了GmPTF1a通过结合E-box，激活GmNPLa的表达，促进根瘤菌接种条件下的细胞壁局部降解，进而参与调控根瘤菌侵染，提高大豆的结瘤能力。
图2. GmPTF1a与GmNPLa启动子E-box结合调控其表达
结合前期的研究结果表明，GmPTF1a主要通过调控细胞壁相关基因的表达参与调控大豆根构型与结瘤（图3）：一方面激活细胞壁扩张基因GmEXPB2促进细胞壁松弛，进而参与大豆根构型改变及大豆结瘤 (The Plant Journal 2011; 2021和Plant Physiology 2015) ；另一方面激活细胞壁果胶裂解酶基因GmNPLa/b的表达，进一步调控根瘤菌侵染线和根瘤的形成。GmPTF1a/b调控了大豆根构型与结瘤等性状，对大豆氮、磷养分效率改良具有重要作用。
图3. GmPTF1a调控大豆结瘤的模式图
福建农林大学根系中心硕士研究生张晓和陈佳欣为该论文的共同第一作者，李欣欣教授为通讯作者。根系中心廖红教授参与了本项目的研究。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金项目的资助。
https://doi.org/10.1111/nph.19462
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