蒺藜苜蓿ROP GTPase介导的结瘤因子信号传导通路的研究

豆科植物与根瘤菌共生互作的建立需要共生伙伴之间大量、有序的信息交流。根瘤菌结瘤因子信号传导调控贯穿于整个共生互作过程，尤其在根毛侵染过程起着重要的作用。宿主根毛感受结瘤因子信号，改变了正常的极性顶端生长模式，发生去极性生长，导致根毛顶端膨大、变形和卷曲，从而捕获根瘤菌及形成侵染线。在此过程，调控植物细胞极性生长的 ROP GTPase是否起着调控作用呢？本项目在前期研究结果的基础上，通过反向遗传学方法，应用发根农杆菌转化系统，研究ROP蛋白在根毛侵染中所发生的根毛极性改变的调控作用。同时，检测不同ROP表达水平背景下结瘤因子诱导标记基因ENOD11的表达变化，以及利用酵母双杂交文库筛选结瘤因子信号传导相关的ROP蛋白互作调控因子和效应因子，深入解析ROP调节根毛细胞响应结瘤因子信号改变极性生长模式的机制及其介导结瘤因子信号传导途径。本项目对于揭示共生互作早期信号传导的分子机理有重要的意义。

根毛是根瘤菌进入豆科植物根细胞从而完成根瘤菌侵染和根瘤器官发生的主要通道。为了捕获侵入的根瘤菌，根毛经历了一系列的形态变化，包括根毛顶端膨大、分杈和根毛卷曲，涉及到根毛细胞极性的改变和重建过程。然而，根毛变形过程的细胞极性变化的调节机制尚不清楚。本项目利用反向遗传学、生化和细胞生物学的方法，探索了ROP GTPase调节根瘤菌信号分子结瘤因子（Nod factors,NFs）诱导的根毛变形过程中细胞极性变化的分子机制。研究结果揭示：（1）蒺藜苜蓿中至少有7个ROP GTPases，表达分析表明ROP3，ROP5和ROP6在根瘤菌侵染72小时的根系中稳定上调表达，而ROP10短暂地上调表达；（2）ROP10定位于处于极性伸长状态的根毛顶端的质膜区域，建立调节细胞极性生长的ROP10定位和激活，从而控制根毛的极性顶端生长；（3）NFs诱导根毛中ROP10短暂地上调表达，表型模拟了过表达组成型激活的GTP结合ROP10产生的球形根毛表型, 因此，推测GTP结合ROP10参与根瘤菌侵染过程NFs诱导的根毛顶端膨大的调节；（3）NFs诱导ROP10:GFP更多地积累于根毛新产生的极性生长点、分杈根毛和卷曲根毛的质膜；（4）体外实验证实野生型和GTP结合形式的ROP10与NFs受体NFP和LYK3的激酶区互作；（5）体内实验证实野生型和GTP结合形式的ROP10与NFP和LYK3互作于植物细胞的质膜上；（6）过量表达ROP10和GTP结合的ROP10增强了早期NF信号的分子标记ENOD11的表达，进一步证实ROP10 GTPase参与结瘤因子级联反应。上述结果揭示，NFs在空间上调节ROP10蛋白在根毛顶端质膜上的定位和活性，以及GTP结合的ROP10与NFs受体的互作确定了根毛变形和持续的根毛卷曲。本项目首次鉴定了蒺藜苜蓿中ROP GTPase家族，明确了受到根瘤菌侵染诱导的ROP基因家族成员，深入解析了根瘤菌NFs信号在空间上调节ROP10定位和活性，以及ROP10信号控制共生早期过程中根毛变形和卷曲的分子机制。而且，其中已发表的一篇SCI 研究论文被国内外同行大量引用。