自然界的氮素循环在地球生物化学系统中扮演着非常重要的角色。氮素最广泛的存在形式是分子态N2,约占大气组分的78%。虽然在自然界中广泛存在,氮气却不能被动植物和大多数的微生物利用。豆科植物可以和特定的根瘤菌属建立特异性的共生关系-根瘤共生（RNS,RootNodule Symbiosis）,将大气中的氮气转化为可被植物吸收利用的氨。豆科植物在缺氮条件下,通过植物根际分泌类黄酮化合物,诱导根瘤菌向根际聚集并分泌结瘤因子（NF,Nod Factor）。植物通过细胞膜特定受体蛋白感知根瘤菌结瘤因子,并启动根瘤共生过程的建立。根瘤的形成包括侵染线形成（infection thread formation）和根瘤器官发生（nodule organogenesis）两个过程。侵染线的形成涉及到植物的表面受体识别根瘤菌结瘤因子、表面多糖和脂多糖等多种化合物分子,有着复杂的信号识别和调控网络;根瘤器官的发生则通过植物皮层细胞的再次分裂,细胞分裂素和生长素等植物激素的动态调控对于根瘤的发育是必需的。本文以模式豆科植物百脉根（Lotus japonicus）为研究材料,设计并改造了适合百脉根的CRISPR/Cas9技术,并结合基因表达、蛋白互作和植物遗传转化分析等技术探讨了细胞分裂素信号途径相关基因和Lectin类受体激酶等在根瘤共生建立过程中的生物学功能。第一章:综合讲述了:①生物圈的氮素循环及氮素对于农业生产的重要作用,利用生物固氮特别是共生固氮对于解决氮素缺乏和环境氮素污染的积极意义;②共生固氮的起源、共生固氮信号转导途径的研究进展;③植物激素,如细胞分裂素、生长素、赤霉素等,调控根瘤共生的机制;④CRISPR/Cas9技术原理及在植物生物学研究中的应用。第二章:在百脉根中分析并鉴定到9个潜在的U6snRNA基因,选取0.8 kb长度的LjU6-1基因启动子表达单链导向RNA（sgRNA）,建立了适用于百脉根基因组编辑的CRISPR/Cas9系统。使用该技术实现了:①稳定转化体系中,单个sgRNA敲除单基因LjSYMRK,编辑效率为35%（7/20株）;②毛根转化体系中,两个sgRNA同时编辑多基因（LjLb1,LjLb2,LjLb3）,编辑效率为28.5%;③稳定转化体系中,两个sgRNA可同时编辑多基因（LjLb1,LjLb2,LjLb3）;④瘤特异性表达基因LjLb2启动子表达Cas9蛋白,介导两个sgRNA敲除多基因（LjLb1,LjLb2,LjLb3）。第三章:通过酵母双杂交（Y2H）和双分子荧光互补（BiFC）技术鉴定到百脉根中细胞分裂素受体-组氨酸受体激酶LHK1相互作用的蛋白:组氨酸磷酸转移酶LHP1和LHP3。LHP1和LHP3与LHK1互作发生在质膜上,且被LHK1磷酸化后转移至细胞核内,将激素信号传递给下游的应答调节子RRs。利用RNAi技术下调表达LHP1和LHP3,能够显著降低根瘤数目。这些结果表明LHP1和LHP3可能参与了根瘤共生信号转导,且存在基因功能冗余现象。利用BiFC技术,本文分别研究了 LHP1、LHP3与下游7个A-typeRRs、7个B-typeRRs的互作关系,初步建立了 LHK1-HPs-RRs信号传递网络。第四章:从百脉根中筛选得到一个侵染线增多,结瘤数减少的突变体。该突变体中,LORE1转座子插入到S-Domainlike受体激酶基因的外显子区域,导致基因功能的失活。因此,我们将该基因命名为LjSDK（S-Domain like Kinase）。LjSDK蛋白胞外含有G-lectin、PANAP结构域,胞内为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域。实验数据显示该蛋白定位于细胞膜,和结瘤因子受体NFR5存在相互作用。这表明LjSDK可能通过与结瘤因子受体的互作参与早期根瘤菌共生信号的转导。