大豆GmPIN1亚家族成员调控根瘤发育的分子机理

Soybean (Glycine max (L.) Merr.), like most legumes, can form a specialized lateral organ called root nodules. Root nodules host symbiotic nitrogen-fixing rhizobia bacteria to help legumes satisfy their nitrogen needs. Similar to other plant developmental process, auxin accumulation is crucial to early nodule initiation. However, the changes of auxin transport, signaling, metabolism during soybean nodulation are still largely unclear. The PIN-FORMED (PIN) proteins are plant-specific auxin efflux carriers that regulate local cell to cell auxin transport and the formation of auxin gradients. In Soybean, GmPIN1 family has 5 GmPIN1 members. However, their expression pattern, cellular localization and function are largely unknown. Our study has shown that auxin polar transport might play an important role in the regulation of soybean nodule development and nitrogen-fixing in nodules. Therefore, we designed a series of experiments in order to reveal the role of GmPIN1 family in the regulation of nodule development and function, and build up the GmPIN1 family mediated auxin transport model during different nodule development stages. Hopefully, this project will provide new understands in legume-rhizobium symbiosis and new transgenic resources for future studies.

大豆与根瘤菌共生互作形成根瘤--豆科植物特有的固氮组织器官。前人研究表明，生长素积累和作用是根瘤形成所必需的，但生长素在根瘤发育过程中的转运调控机制尚不明确。PIN家族蛋白作为植物生长素输出的主要载体，在生长素极性运输和梯度分布中具有重要作用。大豆中，GmPIN1家族由5个GmPIN1成员组成，各成员在大豆中的表达部位,亚细胞定位及功能尚未有详细报道。本项目前期研究表明，生长素极性运输调控可能参与了大豆根瘤发育及其固氮活性的调控。为了进一步揭示大豆GmPIN1家族介导的生长素极性运输调控对根瘤发育及功能调控机理，构建GmPIN1家族介导的根瘤发育各时期生长素流动模型，本项目设计了一系列植物生理学、细胞生物学、遗传学等试验。以期为豆科作物共生互作，结瘤固氮的遗传改良提供理论依据和稳定的遗传材料。

大豆与根瘤菌共生互作形成根瘤--豆科植物特有的固氮组织器官。前人研究表明，生长素积累是根瘤形成所必需的，但生长素在根瘤发育过程中的转运调控机制尚不明确。PIN家族蛋白作为植物生长素输出的主要载体，在生长素极性运输和梯度分布中具有重要作用。大豆中，GmPIN1家族由5个GmPIN1成员组成，各成员在大豆中的表达部位,亚细胞定位及功能尚未有详细报道。本项目主要研究内容：揭示大豆GmPIN1家族介导的生长素极性运输调控对根瘤发育及功能调控机理，构建GmPIN1家族介导的根瘤发育各时期生长素流动模型。本项目研究表明GmPIN1介导的生长素极性运输在大豆根瘤原基起始过程中起到关键调控作用。GmPIN1b基因特异的表达在根瘤原基细胞并极性定位于根瘤原基细胞细胞膜上。在根瘤起始过程中，黄酮和细胞分裂素能够特异扩展GmPIN1b分布和极性分布。通过CRIPSR技术构建Gmpin1abc三突变体，该突变体根瘤分生组织中生长素梯度建立受损，导致根瘤原基细胞出现异常分裂和成串排列的类似根瘤原基的细胞。此外，本研究还对拟南芥PIN2的同源蛋白GmPIN9d在根瘤发育中的功能开展研究研究表明，GmPIN9d在根和根瘤之间的合生维管束内积累。经鉴定发现，GmPIN9d介导的生长素运输在根瘤发育后期阶段发挥功能，并与GmPIN1协同在维管束内向根瘤顶端方向运输生长素，精细调控生长素供应以促进根瘤增大。综上所述，本研究揭示了PIN依赖性生长素运输调节大豆根瘤发育的不同方面，并表明生长素梯度的建立是豆科植物和根瘤菌之间适当相互作用的先决条件。本项目为豆科作物共生互作，结瘤固氮的遗传改良提供理论依据和稳定的遗传材料。