微根窗技术在大豆与根瘤菌共生结瘤观测中的应用

近日，作物遗传改良全国重点实验室大豆团队在Nature Plants上发表了题为“The BRUTUS iron sensor and E3 ligase facilitates soybean root nodulation by monoubiquitination of NSP1"的研究论文，不仅明确了铁是豆科植物结瘤的重要驱动力，而且揭示了铁受体BTS通过单泛素化修饰结瘤信号关键转录因子NSP1并增强其蛋白稳定性和转录活性，进而促进结瘤和共生固氮的分子机制。

为了研究铁对大豆结瘤的影响，研究团队首先建立了一个水培体系，系统评价了不同铁浓度对根瘤菌侵染（侵染线和根瘤原基）和根瘤数量的影响。结果发现，即使在充足光照和氮匮缺条件下，没有铁大豆-根瘤菌共生结瘤过程被抑制，说明铁是大豆结瘤一个重要驱动力。此外，明确了大豆共生结瘤的最适宜铁浓度大约是40 µM，铁低于该剂量造成养分不足，而高于该水平造成氧化胁迫均抑制早期侵染事件和根瘤的形成（图1）。进一步分子和遗传学研究发现，铁是通过影响大豆共生结瘤上游转录因子GmNSP1a蛋白的稳定和转录活性，进而调控核心基因GmNINs的表达水平来发挥作用。

该研究明确了铁元素在大豆共生结瘤过程中的重要作用，并解析了铁受体BTS-共生信号关键转录因子NSP1构成的分子调控模块通过监测外部铁水平调控豆科植物结瘤的分子机制。这些研究结果揭示了微量必需营养元素铁驱动的豆科植物结瘤分子遗传基础，不仅为提高大豆等豆科作物在盐碱环境下的结瘤与共生固氮效率，提升作物产量品质提供了新思路，还为育种家培育“高效、高抗、高产、优质"作物新品种提供新基因和新种质资源。

整个研究工作，进行了根系基础观测的大量工作，在不同处理条件下的根瘤观测是重点。利用微根窗技术观测大豆-根瘤菌共生结瘤的整个过程，是得出整体实验结论的基础。由于根瘤的体积较小，对根瘤的观测需要分辨率更高的根系观测仪器予以辅助。澳作生态的AZR根系观测系列能够高效地完成根瘤观测相关的工作。

AZR-300 复合根系采用摄像头微根窗技术和 360 度根系全景图技术，结合所提供根系分析软件，能够将根系相关数据定量化，包括根的长度、面积、根尖数量、直径分布格局、死亡根及存活根数量等，可以原位非破坏性获取不同时间和深度的根系分布或土壤剖面图像数据，广泛运用于植物生理生态、生长模型、根系形 态分析、土壤结构演变、昆虫行为生态等研究领域。

根毛拍摄实测图片展示：