大豆海藻糖酶GmTRE参与磷调控结瘤固氮的分子机制

Through biological nitrogen fixation (BNF), legume plants are able to reduce fertilizer input and improve soil fertility in agriculture. Phosphorus has been shown to be a critical element for nodulation and nitrogen fixation efficiency, although the underlying mechanism remains elusive. Trehalose and the its intermediate, Tre6p, play important roles in sugar signaling and carbon allocation. Previous reports showed that trehalose is enriched in soybean nodule. Here we show that the Tre and Tre6p metabolism pathway genes are mostly expressed in mature nodule and induced by phosphorus deficiency in soybean. Transgenic hairy root assay showed that GmTRE overexpression improved nodule number and maturation under low Pi but not high Pi, while GmTRE-RNAi inhibits nodulation and development at both conditions. We therefore design a series of genetic, metabolomic, and transcriptomic experiments to dissect the role of GmTRE in the phosphorus response of nodulation in soybean.

豆科作物的结瘤固氮作用在农业上具有减肥增效、改良土壤等重大意义。在生产上，磷营养状况与大豆固氮效率密切相关，但其具体调控机制尚不明确。海藻糖和海藻糖-6-磷酸(Tre6P)信号通路是植物糖代谢及信号的重要调控途径，而大豆根瘤中含有较高浓度的海藻糖。本实验室前期研究发现，大豆基因组中海藻糖代谢相关基因家族多数成员在成熟根瘤中表达且受低磷诱导。转基因复合植株试验表明，过量表达海藻糖酶基因GmTRE，在低磷下显著提高成熟根瘤的数量和发育；而RNAi干扰该基因显著抑制大豆在高低磷下根瘤数量和发育。暗示海藻糖途径可能直接参与磷对大豆结瘤固氮的调控。本项目据此设计一系列遗传学、植物生理学、代谢组学、转录组学等试验。目的是深入研究GmTRE参与磷调控大豆根瘤发育的分子机制，以期为豆科作物高效结瘤固氮的遗传改良提供理论依据和稳定的遗传材料。

本实验室前期研究发现，大豆基因组中海藻糖代谢相关基因家族多数成员在成熟根瘤中表达，暗示海藻糖途径可能直接参与磷对大豆结瘤固氮的调控。本项目据此设计一系列遗传学、植物生理学、功能基因组学等试验。项目获得了所有载体的稳定遗传转基因植株纯合体，开展了GmTRE过表达及基因编辑植株，OtsA及OtsB过表达植株结瘤固氮的生理测定，开展了GmTRE过表达及基因编辑植株分子调控机制分析，初步解析了GmTRE在大豆中的生理功能及其分子机制。通过对构建的GmTRE1敲除转基因植株检测发现，其生长发育与结瘤跟野生型相比没有显著差异。说明在大豆根瘤中，根瘤菌除了合成海藻糖以备不时之需，同时也会主动控制海藻糖含量以维持一个双方都能接受的稳态，显示其与大豆共生机制的复杂性。而在非生物胁迫情况下，敲除突变体的抗逆性显著增加，显示GmTRE在大豆逆境胁迫中发挥重要作用。本研究GmTRE调控大豆生理与发育的分子机制，预期可为豆科作物高效结瘤固氮的遗传改良提供理论依据和稳定的遗传材料。