SWI介导DELLA蛋白通过重塑染色体结构调控蒺藜苜蓿根瘤发育的分子机制研究

In legume-rhizobium symbiosis, the nitrogen-fixing bacteria convert the atmospheric nitrogen into ammonium that can be directly utilized for plant growth. Our previous studies showed that MtDELLA proteins directly regulate rhizobial symbiosis in Medicago truncatula. Through yeast two hybrid screening, we identified a DELLA interacting protein (MtSWI), which is a core subunit of Switch/Sucrose nonfermenting chromatin remodeling complex. The nodule development in MtSWI RNAi plants is also defected, while related molecular mechanism need to be further explored. We will take Medicago truncatula as research material to verify the interaction between MtSWI with MtDELLA proteins, compare the nodule development of Mtswi and Mtdella mutants as well as their transgenic plants, analyze the cellular basis of the function of MtSWI and MtDELLA proteins in nodule development process. We will identify and verify the key downstream target genes.of MtSWI-MtDELLA, analyze the chromatin status of these target genes which are involved in nodule development. Meanwhile, we will further investigate the genetic relationship among MtSWI and other known genes in root nodule symbiosis. Our research will elucidate the molecular and biochemical mechanisms of MtSWI-MtDELLA protein in regulating root nodule symbiosis, which will provide gene resource for the improvement of molecular breeding in nitrogen-fixing leguminous symbiotic plants.

豆科植物与根瘤菌共生形成根瘤，根瘤菌可以把大气中游离态的氮转化成结合态的氨化物供植物生长发育，从而减少对环境氮营养的依赖。我们前期工作揭示，DELLA直接调控豆科植物-根瘤菌共生。我们通过酵母双杂筛库发现DELLA和SWI/SNF染色质重塑复合体蛋白SWI互作，RNAi实验表明SWI参与蒺藜苜蓿不定型根瘤的发育，但相关的分子调控机制不清楚。我们将在验证SWI与DELLA蛋白相互作用的基础上，分析和比较这两个基因的突变体及其转基因植株在共生过程中根瘤发育的异同，揭示SWI调控根瘤发育的细胞学基础；通过ChIP-Seq实验获得和鉴定SWI的下游靶基因，并研究其在根瘤发育过程中染色质状态的变化；结合SWI与已知根瘤发育关键基因的遗传互作分析，阐明SWI介导DELLA蛋白通过重塑染色体结构调控蒺藜苜蓿不定型根瘤发育的分子和生化机制及其遗传调控网络，为豆科植物根瘤共生固氮的分子改良提供科学依据。

氮素是生物体的重要组成元素，氮素的吸收和利用效率直接影响和决定了作物的产量。地球上约占80%的氮元素是以氮气形式存在于大气之中，然而绝大部分植物只能从土壤中吸收含氮化合物来获得氮源。在自然界中，将大气中游离态的氮转化为可以被植物吸收利用的化合态的氮的过程被称为固氮作用。豆科植物与根瘤菌共生，可以将把大气中游离态的氮转化成结合态的氨化物供植物生长发育，减少植物对氮肥的依赖，这种固氮的方式既环保高效又经济。研究豆科植物共生固氮的分子机理，不仅是理解共生固氮这种生命现象的本质。研究表明赤霉素信号转导通路上的抑制因子DELLA 蛋白可以正向调控豆科植物与根瘤菌的共生，然而其调控下游基因表达的分子机制却并不清楚。为此，我们通过大规模的酵母双杂筛库，发现蒺藜苜蓿中的染色质重塑因子MtSWI3C 可以与MtDELLA 蛋白相互作用。我们通过qPCR 实验发现MtSWI3C 基因在根瘤发育的不同时期都有表达，其表达水平还受到根瘤菌和NF处理的诱导。发现MtSWI3C 基因在根瘤发育的早期主要在根瘤原基中表达，后期则集中在根瘤的分生组织区域表达。实验中通过RNAi 下调MtSWI3C 基因的表达，可以显著降低固氮根瘤的数目和根瘤内部类菌体的发育，但不影响根的发育。我们进一步对MtSWI3C基因RNAi 植物中根瘤共生标志基因的表达情况进行了分析，实验结果显示MtSWI3C 调控ENOD11、NIN、ERN、FLOT4、ENOD40、RIP 和Vapyrin 等根瘤发育早期标记基因的同时还正调MtDELLAs 基因表达。ChIP-qPCR 的结果表明，MtSWI3C 结合在ERN1 基因的启动子区。因此我们认为染色质重塑因子MtSWI3C 通过与MtDELLA2 的相互作用，介导了MtDELLA2 调控蒺藜苜蓿根瘤发育的分子调控机制。