豆科植物根瘤中免疫抑制及根瘤菌定殖的分子机制

Rhizobia invade and colonize in plant root cells without triggering obvious host defense response in the symbiotic relationship between legume plant and rhizobia. A question that how rhizobia evade or inhibit host defense has been proposed for a long time, but poorly understood till now. In our previous work, a Medicago truncatula mutant, referred to as nad1 for nodules with activated defense 1, was identified. In the nad1 plants, rhizobial infection and propagation in infection threads are normal, while rhizobia and their symbiotic plant cells become necrotic at the late stage when rhizobia were released from infection threads into symbiotic cells of nodules. Base on the characterization of the suppressing defense responses protein NAD1, the project will be investigated the mechanisms of NAD1 gene expression regulation, isolated transcription factors by yeast one-hybrid and EMSA methods. Using chromatin co-immunoprecipitation, protein mass spectrometry, immunoelectron microscopy as well as other biological and biochemical approaches，the investigation will be focused NAD1 interacted proteins, subcellular localization and other molecular functions. it will help to understand the complicate association between symbiotic response and host defense response in Rhizobium-legume symbiosis and the help for obtained results would provide a useful theoretical foundation and a new avenue for establish of Rhizobium-nonlegume symbiosis in the future.

根瘤是根瘤菌在植物体中定殖和共生固氮的场所，在每个根瘤中含有多达成百上千个根瘤菌。然而，在豆科植物有效固氮根瘤形成过程中，根瘤菌侵染和定殖是如何逃逸寄主植物免疫防御反应的问题一直悬而未决。在前期研究工作中，我们从苜蓿中鉴定到一个激活根瘤防御反应的突变体（nad1）。根瘤菌在nad1突变体上形成不能固氮的无效根瘤，且根瘤中产生了强烈的植物免疫反应，导致细菌和共生细胞坏死。在此基础上，本项目拟通过酵母单杂、染色质共沉淀、蛋白质质谱分析及免疫电镜等生物和生化技术，开展对NAD1在根瘤中表达调控、蛋白相互作用、亚细胞定位及其功能和作用机制的研究。旨在阐明根瘤菌在植物细胞内侵染、定殖而不导致寄主植物超敏反应的分子机制，揭示根瘤中免疫抑制反应相关蛋白的作用和功能。为探索根瘤菌在非豆科植物细胞内定殖，建立根瘤菌与非豆科植物共生固氮体系提供理论依据和突破口。

豆科植物与根瘤菌形成共生固氮体系，在共生根瘤形成过程中，豆科植物是否具有识别“朋友”和“敌人”的特殊机制？根瘤菌的入侵和定殖是如何逃逸植物防御体系？在根瘤中细菌如何生存和发育等关键科学问题都悬而未决。在前期研究中，我们从苜蓿中鉴定到一个激活根瘤防御反应的突变体（nad1）。在该突变体形成不能固氮的根瘤，且根瘤中产生了强烈的植物免疫反应，导致细菌和共生细胞坏死。为此，本项目围绕豆科根瘤特异表达基因NAD1，主要开展了以下研究并取得了一些重要结果：（1）通过构建缺失突变及转录融合子，在体外鉴定出最小启动子活性单元和调控序列，分离出作用于启动子的转录调控因子，阐明共生根瘤中 NAD1 基因表达调控机制。（2）明确 NAD1 的亚细胞定位及其在细菌从侵入线释放到寄主细胞过程中的动态变化规律。（3）揭示了NAD1抑制CDPK-Rboh介导产生活性氧、抑制根瘤免疫防御反应，从而保障根瘤菌在根瘤中定殖及类菌体分化中的功能。（4）发现石莼多糖与几丁质、肽聚糖一样可以引起植物的MAPK级联反应、活性氧的产生及诱导植物防御基因的上调表达，揭示了石莼多糖在根瘤中平衡植物免疫和共生反应的功能。这些研究结果，阐明了根瘤菌在植物细胞内侵染、定殖而不导致寄主植物超敏反应的分子机制；揭示根瘤中免疫抑制反应相关蛋白的作用和功能，发现了根瘤中存在一条类似于植物PTI的信号途径，调控根瘤菌类菌体的末端分化。为解析根瘤菌与豆科植物共生固氮体系的建立提供了重要的科学资料，进一步为探索根瘤菌在非豆科植物细胞内定殖，创建根瘤菌与非豆科植物共生固氮体系提供科学，为共生固氮在农业生产中的应用提供理论和技术支撑。部分研究结果已发论文11篇（其中SCI论文5篇）。