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豆科植物能够与根瘤菌形成共生关系，进而形成一种特殊的器官-根瘤。该结构有效地将大气中的氮气还原为可供植物吸收的氮素营养，从而支持其在氮素缺乏的土壤条件下的正常生长和发育。在豆科植物与根瘤菌的共生过程中，根系分泌物发挥着至关重要的作用。这些根系分泌物包括多种化合物，如黄酮类和酚酸类化合物，它们不仅为根瘤菌提供碳源和能量，还参与调控其定殖、繁殖及结瘤过程。然而，尽管已有很多关于黄酮类化合物对根瘤共生调控的研究，而关于更广泛分布的酚酸类化合物却鲜有报道。
近日，山东大学生命科学学院丁兆军教授团队在国际学术期刊PNAS上发表了题为Phenoxyacetic acid enhances nodulation symbiosis during rapid growth stage of soybean的研究论文，解析了苯氧乙酸促进大豆根瘤发生的分子机制。
该研究发现，在大豆植株生长的早期阶段，不同生长时期的根瘤数量变化显著。在大豆出苗后21至28天内，根瘤数量迅速增加。通过施加外源性根系分泌物进行处理，并统计根瘤数量，证实了这一快速增长现象与大豆快速生长期的根系分泌物密切相关，该时期的根系分泌物能够显著促进大豆结瘤。
为探讨不同时期大豆根系分泌物的变化规律，该研究采用广靶代谢组学技术对各阶段根系分泌物进行了系统检测。结果表明，在快速生长期内，酚酸类化合物显著上调，尤其是苯氧乙酸。通过表型实验，该研究发现外源施用苯氧乙酸能够有效促进大豆根瘤的发育及侵染线的形成。进一步分析发现，苯氧乙酸能够调控多个共生固氮相关基因的表达。在苯氧乙酸处理后，miR172C和GmGA2ox10的表达均显著上调。然而，在抑制miR172C和GmGA2ox10表达的转基因系中，苯氧乙酸促进根瘤发育及侵染线形成能力则显著降低。这一结果证明了苯氧乙酸通过调控miR172c-NNC1通路以及GmGA2ox10表达，从而促进大豆共生结瘤。
综上所述，该研究首次揭示了大豆在生长早期根瘤快速增加的分子机制，并鉴定出能够促进大豆共生固氮的苯氧乙酸，为其在增强根瘤共生及促进农业可持续发展中的实际应用奠定了理论基础。
山东大学在读博士生李为珺为该论文第一作者，丁兆军教授为通讯作者。山东大学田会玉教授、研究生朱馨芳、张蒙悦、闫锡凤、冷俊辰和周煜洪参与了该研究。山东农业大学农学院张大健教授、杭州师范大学生命与环境科学学院薛大伟教授、山东大学环境科学与工程学院袁宪正教授和聊城大学生命学院刘立科教授为本工作提供了重要的支持和指导。该研究得到国家重点研发计划、山东省泰山学者特聘专家项目的联合资助。
丁兆军课题组主要从事根的生长发育和大豆根瘤发育调控机制的研究，并取得系列进展。该团队近期解析了VIK激酶介导生长素信号调控侧根发生的重要新机制（点击查看：）；发现MAC3A/3B-ERF13分子模块介导生长素信号促进侧根萌发的重要角色（点击查看：）；揭示了MPK3/6-STOP1模块在根尖中维持最佳生长素信号以保持干细胞稳态 (点击查看：)；阐释了MPK3/6-DPa分子模块介导生长素信号调控根尖干细胞微环境的维持 (点击查看：)；揭示了拟南芥NAC转录因子家族成员NAC1协同SHR/SCR-CYCD6;1模块调控植物根基本组织成熟的分子机制（Molecular Plant, 2023）。
论文链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2322217121
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