百脉根ITD3在共生固氮过程中调控侵染线形成的分子机制的研究

Symbiotic nitrogen fixation between legume and rhizobia is the most efficient and productive source of nitrogen fixation.Therefore, understanding symbiotic nitrogen fixation in farming systems is beneficial to the balance between agriculture and environmental preservation.However, the mechanism based on symbiotic nitrogen fixation is unclear.Previous research show that root hair invasion by formation infection threads is the best characterized mechanism of rhizobia in invasion of legume. A ubiquitin ligase ITD3(infection-thread deficient 3) is essential for root-hair Infection,which belongs to the U-box family protein.In our project,we will study mutant phenotype and biological function of ITD3 protein to understand the molecular mechanism of infection-thread formation during nitrogen-fixing symbioses.A better comprehension of the molecular mechanism involved in symbiotic nitrogen fixation could provide new avenues to design non-legume nitrogen-fixing crop.

豆科植物与根瘤菌之间的共生固氮是最经济，最环保的固氮方式，对于建设环境友好型绿色农业有非常重要的意义，然而共生固氮的分子作用机理目前尚不清楚。前期工作表明：根瘤菌侵入宿主植物最主要的方式是在根毛中形成侵染线，所以侵染线的形成对于根瘤固氮是至关重要的。豆科植物蛋白ITD3是侵染线形成所必需的，ITD3属于U-box家族成员，可能编码一个E3连接酶。本项目以豆科模式植物百脉根为研究对象，拟通过对突变体表型的分析及ITD3蛋白生物学功能的研究，解析共生互作过程中侵染线形成的分子机制，为早日提高豆科植物固氮效率和实现非豆科植物自主固氮提供理论基础。

CERBERUS(ITD3)和VAPYRIN (VPY)是根瘤菌和丛枝菌根真菌侵染豆科植物所必需的。有报道称紫花苜蓿中LIN与VPY存在蛋白之间的相互作用，但两个蛋白在百脉根中的功能未见报道。本研究发现CERBERUS在体外具有泛素化活性，亚细胞定位结果显示CERBERUS在百脉根根毛和烟草叶片中呈斑点状。CERBERUS可以与反式高尔基体网络/早期内吞体标记蛋白共定位。我们在百脉根中鉴定出两个紫花苜蓿VPY同源蛋白LjVPY1和LjVPY2。CERBERUS与LjVPY1和LjVPY2通过特定结构域存在相互作用。在烟草体系中，CERBERUS与LjVPY1或LjVPY2的共表达导致LjVPY1和LjVPY2蛋白水平升高且在细胞质中积累可移动的斑点状体。相反，接种根瘤菌后cerberus根中LjVPY2蛋白水平显著降低。突变体分析表明LjVPY1和LjVPY2是AMF侵染和定植根瘤菌所必需的。综上所述，我们的结果表明：CERBERUS在反式高尔基体网络/早期核内体中稳定LjVPY1和LjVPY2，调节内吞运输和/或信号复合物的形成或循环它们可能在菌根共生过程中发挥重要作用。