硝态氮抑制蒺藜苜蓿根瘤形成的分子机制研究

The legume-rhizobial symbiosis results in the formation of root nodules. Rhizobia fix nitrogen in the nodule by using the plant provided photosynthesis products. Nitrogen fixation is an energy-consuming process and strictly controlled by plant through autoregulation of nodulation and environment nitrogen compounds levels. The molecular mechanism of AON pathway is quite clear, but how the high levels of nitrate inhibit nodulation still poorly understood. To investigate the molecule mechanism of how nitrate inhibiti of nodule formation, We performed a yeast-two-hybrid screening assay by using nodulation specific transcript factor NIN as a bait, and NIP1 &2 (NIN-interaction protein 1&2) are obtained. Knock down NIP1 or NIP2 expression levels found that the plants enhance nitrate tolerant of nodule formation. We’d like to explore the molecular mechanisms of how NIP1/2 interaction with NIN and response nitrate and regulate nodulation by genetics and biochemistry approaches. Moreover, we’ll investigate the relationship between NIP1/2-NIN and AON pathway by genetics and graft assay. In a summary, we’ll trying to reveal how the nodule number determined by inner (AON pathway) and outer (high levels of nitrate) factors.

豆科植物与根瘤菌共生互作并形成根瘤，根瘤菌在根瘤中利用植物提供的光合产物进行固氮，并为植物生长发育提供氮源。固氮过程是一个耗费植物能量的过程，受到宿主植物内因（自主调控结瘤，AON）和外因（高氮等）的调控。植物调控AON途径研究已较为清楚，但高浓度氮素抑制根瘤形成的分子机制了解甚少。为揭示氮素抑制根瘤形成的分子机理，我们通过筛选与共生特异的转录因子NIN相互作用的蛋白，获得2个与NIN互作蛋白：NIP1和NIP2（NIN-interaction protein 1&2）。研究发现，下调NIP1或NIP2的表达，植物根瘤形成表现出耐受硝态氮的能力。本项目拟进一步通过遗传与生化方法探索NIP1/2与NIN相互作用，响应硝态氮，抑制根瘤的形成的分子机理。同时，通过双突变体和嫁接实验等，探索NIP1/2调控的硝态氮耐受能力与AON途径之间的相互关系。从而揭示植物如何协同调控根瘤形成的分子机制。

豆科植物不仅可以吸收土壤中的氮素，还可以与根瘤菌共生互作，固定空气中的氮气为植物生长发育所需。共生固氮是一个耗费植物能源的过程，宿主植物通过系统性的自我结瘤调控途径（AON）调控根瘤数目“恰到好处”；土壤中高浓度的氮素严重抑制豆科植物共生根瘤的形成及氮素的固定，称之为“氮阻遏”效应。结瘤的“氮阻遏”效应已经被报道多年，但其分子调控机理一直没有被揭示；豆科植物通过局部和系统性方式调控根瘤形成和“氮阻遏”效应之间的关系也尚未解析。. 共生固氮特异的转录因子NIN属于NLP家族，拟南芥中的研究表明AtNLPs对硝酸盐的调控有着重要的作用。我们发现，在蒺藜苜蓿中，NIN可以与NLPs蛋白相互作用，RNAi下调NLPs的表达，或者NLP1 Tnt1 插入突变体结瘤都增强了对硝酸盐的耐受能力。与此相一致的是，nlp1在高氮条件下，仍然表现出生长缺氮的表型；而且硝酸盐也信号转导途径的marker基因的诱导表达也大部分被阻止，表明NLP1参与了硝酸盐信号转导途径。硝酸盐促进NLP1蛋白从细胞质向细胞核的转移，从而抑制NIN对其靶标基因的激活能力。该部分研究揭示了豆科植物如何响应硝酸盐信号，从而抑制根瘤形成的分子机制。该成果已于2018年发表于Nature Plants。. 豆科植物根瘤形成受到地上、地下的系统和局部调控。在蒺藜苜蓿中，硝酸盐信号介入了CLE-SUNN介导的负向和CEP-CRA2介导的正向调控根瘤形成过程。通过一系列嫁接实验和双突变体表型分析，我们发现NLP1可以直接结合到CLE35的启动子区激活其表达，从而通过地上部的SUNN抑制根瘤的进一步形成。我们还意外的发现，根部的cra2在高氮时仍然能正常结瘤，在cra2突变体根部的CEP1/2的表达量比野生型高。这些结果暗示着在cra2根部存在着一个反馈调节机制，控制CEP1/2小肽的含量，从而调控根瘤数目。这部分工作已投稿，目前在修改中。. 在本项目的资助下，我们成功的解析了硝态氮抑制根瘤形成的分子机理，以及硝态氮通过局部和系统调控共生根瘤形成的分子机制，对提高豆科植物共生效率有着重要的意义。