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JIPB | 山东大学周传恩教授课题组发现蒺藜苜蓿生物钟基因MtLHY协同调控根瘤发育和叶片感夜运动的新机制

已有 619 次阅读 2020-8-12 13:47 |个人分类:Life Science|系统分类:论文交流| Wiley, 威立, JIPB, 生物钟基因, 根瘤发育, JIPB, JIPB


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豆科作物是人类食品中淀粉、蛋白质、油和蔬菜的重要来源之一,还是生命之树共生固氮支系中最大的一个植物类群。豆科植物与根瘤菌形成的共生固氮系统是一种高效的生物固氮类型,对植物氮的获取在自然界氮素的循环中具有重要的意义。近年来陆续发表的高水平研究成果揭示出生物钟对植物体光合效率、生物量、杂种优势、生物和非生物逆境胁迫的抗性以及农产品收获后的贮藏等重要农艺性状具有关键调控作用, 同时受生物钟调控的很多输出途径也可以反馈调节植物体内源的生物钟。然而,豆科植物的根瘤形成和内源生物钟之间是否存在相互调控关系还未见报道。


JIPB近日在线发表了山东大学生命科学学院周传恩教授课题组题为“The nodulation and nyctinastic leaf movement is orchestrated by clock gene LHY in Medicago truncatula”的研究论文。该研究发现蒺藜苜蓿生物钟核心基因MtLHY敲除后导致根瘤数目减少,进而影响了氮同化吸收。同时,在诱导根瘤条件下,mtlhy突变体的叶片感夜性运动提前,地上部生物量减少,这说明MtLHY通过协同调控生物钟,根瘤和氮的同化吸收来影响蒺藜苜蓿生长发育和对环境的响应。

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周传恩教授课题组分析了多个生物钟关键基因(MtLHY, MtTOC1a, MtLUX, MtCCR2a, MtPRR9)在叶、根和根瘤中的表达模式。在叶和根中,这些基因的表达都具有节律性,而在根瘤中,只有MtLHY基因的表达具有节律性,说明蒺藜苜蓿的生物钟也存在器官特异性。后续分离得到两个不同Tnt1插入位点的mtlhy突变体,表现为下胚轴缩短和早花的特性,叶片生物钟基因的表达模式提前约3个小时,从而导致叶片的感夜性运动略微提前。在诱导根瘤条件下,mtlhy突变体根瘤数目减少,硝酸还原酶基因MtNIA1的表达模式发生改变,氮的同化吸收受到影响;此外,突变体叶片生物钟基因的表达提前约6个小时,从而导致叶运动更加提前,生物量减少。将诱导根瘤后的植株继续浇灌高氮营养液,结果发现叶运动表型恢复到了正常生长状态,说明外界氮营养水平是影响叶片感夜性运动的原因,并且这种影响依赖于MtLHY。以正常生长条件下的叶片,诱导根瘤条件下的叶片以及根瘤为材料进行的转录组测序发现许多与类苯基丙烷和类黄酮合成相关的差异基因, 类黄酮是类苯基丙烷合成的次级代谢产物,是豆科植物根系与根瘤菌相互识别的信号分子,推测MtLHY是通过影响这些基因的表达影响根瘤形成。另外,RNA-seq结果还发现许多与氮的同化吸收和氨基酸代谢的差异基因在叶和根瘤中出现;另外,生物钟相关的差异基因大多存在于叶片而非根瘤中,说明MtLHY基因对根瘤的生物钟下游基因的调控作用较小。

本研究首次报道了豆科作物生物钟与根瘤形成相互调控的新机制,将生物钟、根瘤、氮同化吸收和植物生长发育联系起来。博士生孔一茗为该论文的第一作者,周传恩教授为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/jipb.12999 



关于JIPB:

Journal of Integrative Plant Biology(JIPB)是由中科学院主管、中国科学院植物研究所和中国植物学会共同主办,Wiley出版的同行评审月刊。JIPB面向全球,刊发整合植物生物学研究的重要创新成果,包括宏观和微观领域有创新性的重要研究论文、特邀综述、突破性报道、新资源、新技术和评论性文章。2019年2年SCI 影响因子是4.885,位于植物学TOP7.3%,已连续8年处于SCI的Q1区。Scopus数据库中CiteScore是8.1,位于 TOP4.2%。2019年,JIPB进入中国科学院期刊分区Q1区,并入选中国科技期刊卓越行动计划。



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