LSH基因与确定固氮根瘤所需的茎花和叶的形状相关

剑桥大学的科学家们已经确定了产生特殊根器官所需的两个关键遗传因素，这些根器官可以容纳豌豆和蚕豆等豆科植物中的固氮细菌。

令人惊讶的是，赋予这些器官身份的发育调节因子(称为根瘤)属于转录因子家族，通常与决定茎、花和叶的形状相关。这些因子在植物中广泛保守，表明它们在豆科植物中的根瘤特异性功能是最近的创新。

这一重大发现使我们离改造小麦、水稻和玉米等非豆科谷类作物以开发根瘤器官以容纳固氮细菌并减少我们对通过耗能的哈伯博世工艺生产的工业氮肥的依赖又近了一步。

这项最新研究由剑桥大学塞恩斯伯里实验室(SLCU)职业发展研究员KatharinaSchiessl博士领导，该研究建立在她早期的发现之上，即侧根发育的相同遗传程序也支持根瘤的形成。

Schiessl博士的发现使我们在了解有益土壤细菌和豆类之间如何建立这种共生关系以及如何维持这种关系以支持生物固氮的道路上又向前迈进了一步。随着人们发现豆类正在回收包括谷物在内的多种植物所使用的基因程序，工程任务可能会变得不那么复杂。

发表在《当代生物学》上的“光敏短下胚轴基因赋予豆科蒺藜苜蓿中的共生根瘤身份”是SLCU、作物科学中心、约翰·英尼斯中心、弗莱堡大学、俄克拉荷马州立大学和皇家大学科学家之间的合作成果植物园，邱园。

他们的研究发现了两个遗传因子，称为光敏感短下胚轴(LSH1/LSH2)，促进特化根细胞的产生，这些细胞是使正在发育的根瘤结构成为固氮细菌的合适家园所必需的，从而赋予根瘤器官身份。

Schiessl博士说：“我们发现光敏感短下胚轴(LSH)转录因子家族的两个成员起着调节结节器官特性的作用。”“LSH1/LSH2在称为皮层的根组织中加入了一个程序，该程序有助于形成一组在根瘤发育早期可被细菌感染和居住的细胞。在分子水平上，这涉及抑制默认的侧根程序，控制植物激素生长素和细胞分裂素的动态，并促进先前确定的关键根瘤器官身份调节因子NODULEROOT1/2和核因子Y-A1的表达。”

总之，研究表明，根组织可以通过预先存在的芽程序重新编程，并包括一个用于规范根瘤发育的拟议模型：细胞分裂素激活NIN表达，通过诱导LBD16启动根瘤原基，从而激活局部生长素生物合成以驱动根瘤原基的形成。细胞分裂的方式与侧根起始相当。LSH基因的激活随后赋予结节器官身份。

Schiessl博士说：“这一发现表明豆类正在利用预先存在的发育调节因子及其相关的下游网络来生成具有新颖形式和功能的专用器官，这对于未来的生物固氮工程至关重要。”

Schiessl博士在SLCU新成立的研究小组正在继续探索殖民者诱导的器官发育的调控途径和细胞过程，研究共生根瘤和寄生虫瘿。

赋予共生根瘤器官身份

固氮细菌的适应是内共生的，位于根瘤的专门细胞内，需要三个关键过程：1)将细菌识别为朋友，2)它们通过从根毛延伸到内部组织的感染线进行友好的入侵根的各层，以及3)根瘤中特化细胞囊泡内固氮细菌的容纳。

共生相互作用始于复杂信号的交换，这些信号允许细菌通过根毛友好地入侵并进入内部组织层，在那里细菌遇到新分裂的细胞群，这些细胞专门吸收囊泡内的细菌生物固氮的适宜条件——将空气中的氮转化为氨，氨是植物可利用的氮形式。

虽然共生根瘤是响应豆科植物根部固氮土壤细菌而诱导的特殊结构，但研究人员发现，在豆科植物和豆科植物的地上芽器官中观察到的具有保守功能的预先存在的发育途径重新网络化。非豆科植物参与赋予根瘤身份。

这与Schiessl博士的早期研究类似，该研究发现植物循环利用用于启动侧根的遗传程序来启动根瘤。这项新研究发现，LSH1/LSH2遗传程序被认为与叶和花的芽分生组织和器官边界有关，正在根中招募以赋予根瘤身份。

研究人员证实，LSH基因作为根瘤器官身份的关键调节器和整合器发挥作用，并在共享的侧根样启动程序之上将根瘤与侧根区分开来。

Schiessl博士说：“我们已经证明，LSH直接促进根皮层中的细胞分裂，从而支持细菌定植，并促进先前确定的众所周知的结节器官识别基因NOOT1/NOOT2和NF-YA1的表达。”