豆科植物与根瘤菌共生的周期性调控机制研究

找药助理

1123次浏览发布时间：2024-07-22 14:42:36

　　豆科植物能够在低氮环境中茁壮成长，这主要归功于它们与根瘤菌的共生关系。根瘤菌是一种土壤细菌，能够将大气中的氮转化为植物可利用的铵盐。这些有益细菌寄居在豆科植物根部形成的根瘤中。然而，若根瘤数量过多，可能会阻碍根部功能。因此，豆科植物需要精细调控根瘤的分布和数量。尽管这一现象已被观察多年，但其具体机制一直未明。

　　莲花模型的发现

　　最近，对豆科植物模型莲花 (Lotus japonicus)的研究揭示了根部与根瘤菌相互作用的周期性基因表达特征。研究发现，这种基因表达每六小时出现一次节律，影响了根部对根瘤菌感染的易感区域和根瘤的分布。这项重要的研究发表在《科学》杂志上，由国立基础生物学研究所、奈良先端科学技术研究所、北海道大学、关西学院大学、理化学研究所和爱知教育大学的科学家们合作完成。

　　周期性基因表达与细胞分裂素的作用

　　当根瘤菌感染豆科植物根部时，根表皮细胞会形成一种称为感染线的膜状管状结构，引导细菌进入根部内部组织，在那里进行固氮作用。根瘤菌的感染主要发生在根尖后方的狭窄区域，即易感区域。随着根尖细胞的不断生成，新的易感区域不断产生。理想情况下，感染线应均匀分布在整个根部，但实际观察显示感染线的分布密度存在周期性变化，这提示根部对根瘤菌的反应是间歇性的。

　　研究小组利用荧光素酶作为报告基因的发光活体成像技术，观察到在根瘤菌感染后迅速诱导的、对感染过程至关重要的NSP1基因表达在易感区域中以大约六小时的间隔表现出振荡模式。随着根的生长，新的表达位点出现在先前振荡区域的顶端。研究还发现，植物激素细胞分裂素在维持这种基因表达节律中扮演了关键角色。

　　细胞分裂素调节与基因表达振荡

　　细胞分裂素是根瘤共生的关键调节因子，维持着基因表达的周期性振荡。与细胞分裂素生物合成、代谢和信号传导相关的基因在根瘤菌接种后表现出振荡表达。使用细胞分裂素反应标记 TCSn 的发光成像揭示了振荡的细胞分裂素反应，与活性细胞分裂素含量波动的时间一致。

　　通过研究细胞分裂素受体 LHK1 的突变体，科学家们进一步探讨了细胞分裂素在基因表达周期性中的作用。在缺乏功能性 LHK1 的突变体中，NSP1表达的振荡间隔延长，导致NSP1表达振荡的根区域扩大。相反，在转化了激活形式的 LHK1 的植物中， NSP1表达的诱导受到抑制，导致其周期性丧失。NSP1振荡区域与密集感染线的区域相吻合。lhk1功能丧失突变体表现出扩大的根段形成密集感染线，而活性 LHK1 降低了感染线密度。这些发现强调了适当的细胞分裂素反应在维持共生振荡和确保适当的感染线分布方面的重要性。

　　根瘤共生的进化与意义

　　根瘤共生现象发生在单系固氮进化枝中，包括豆目、蔷薇目、葫芦目和壳斗目四个目，表明它们在进化过程中共同获得了与固氮细菌相互作用的能力。其中，豆目中的豆科植物是参与根瘤共生的大多数物种的目，该目独特地将细胞分裂素途径作为共生的重要调控模块。

　　研究团队的发现为我们提供了根瘤共生调控机制的新见解。这不仅有助于我们理解植物与根瘤菌的复杂相互作用，也为开发通过植物激素介导的周期性反应来调控器官发育的新策略提供了理论基础。这一研究成果有望推动农业科学的发展，通过优化豆科植物的共生机制，提高作物产量和质量，从而实现可持续农业的目标。

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