在自然生态系统中,植物作为定居固着生物需要进化出更为精巧的适应性机制以提高它们抵御不同环境胁迫（如病菌侵入、养肥缺乏、干旱等）的能力。植物对这些环境挑战的进化适应之一是与丛枝菌根（Arbuscular mycorrhizal）真菌形成共生的相互作用。菌根共生的主要优势在于营养物质的获取:菌根真菌能够促进宿主植株从土壤中吸收更多的水分和养分,尤其是磷素和氮素营养的吸收,而作为回报,宿主植株给菌根真菌提供其生长发育所必需的碳水化合物。一些在丛枝细胞中被强烈诱导表达的基因已经被发现在调节菌根共生和丛枝发育中是必不可少的。生长素是最早被发现的植物激素,其中最常见的吲哚乙酸被认为是植物与病原菌之间相互作用的关健调节因子。研究表明在菌根真菌侵染一些宿主植株时,生长素浓度显著上升,尤其是在含有丛枝的细胞中,说明生长素参与菌根共生。然而生长素介导的菌根共生机制并没有得到很好的解析。之前我们已经报道了 SlGH3.4编码一个IAA酰胺合成酶,受外源IAA和AM真菌诱导而强烈表达。SlGH3.4属于GH3家族第二亚家族成员。来自不同物种的这一亚家族中的多个同源基因已被证明在特定的细胞或组织中,通过调控IAA动态平衡来参与植物和病原菌之间的相互作用。在菌根共生细胞中SlGH3.4特异诱导表达,特别是在含有丛枝的细胞中强烈表达,这表明受生长素和AM真菌诱导表达的SlGH3.4基因可能是一个生长素信号途径参与调控AM共生的重要组成部分,为了验证这个假说,我们深入研究了 SlGH3.4基因响应AM真菌侵染和菌根共生过程中的生理作用。主要研究结果如下:1、组织化学染色显示SlGH3.4启动子可以驱动GUS基因在烟草中受外源IAA诱导表达,同时受菌根强烈诱导表达。一个长2258 bp的SlGH3.4基因启动子足以驱动GUS基因在烟草、大豆和水稻植株的菌根中强烈表达。2、通过启动子缺失发现了三个新的顺式作用元件:一个生长素响应元件和两个新发现的MYCS1和MYCS2菌根响应元件,它们是SlGH3.4基因参与响应生长素和菌根共生而诱导表达的作用元件;对AuxRE元件的缺失导致SlGH3.4启动子几乎不能响应外源IAA诱导;七倍串联AuxRE元件连接CaMV35S启动子可以驱动GUS受外源IAA诱导表达和菌根诱导的烟草根部表达;四倍重复串联的MYCS1和MYCS2连接CaMV35S启动子足以驱动GUS定位于烟草的丛枝细胞处。3、构建了番茄和水稻中SlGH3.4的超表达转基因材料,实验表明转基因番茄和水稻植株体内游离态IAA浓度显著降低,同时结合态IAA-ALa浓度显著升高,在番茄和水稻中过表达SlGH3.4导致总的菌根侵染率显著降低,且丛枝不能正常发育。4、为了进一步研究SlGH3.4在菌根共生中的作用,通过CRISPR-Cas9系统和RNAi技术获得SlGH3.4基因敲除和沉默的突变材料。在突变材料的菌根中,转基因植株内源IAA含量显著高于对照处理,突变材料中总的菌根侵染率与对照相比没有显著差异,丛枝菌根的形态也没有显著变化。5、在野生型和转基因植株的转录水平上,我们研究了与生长素信号通路相关的多个基因。例如,与对照相比,在番茄和水稻中超表达SlGH3.4显著抑制生长素受体基因TIR1的表达,以及细胞壁扩张蛋白基因SlEXLB4、SlEXLB2,、OsEXP1、OsEXP5和OsEXP10的表达。相反,在SlGH3.4基因敲除/沉默的突变材料中,SlELB4、SlEXLB2、SlEXPA9和SlEXPA3的表达显著增强。以上结果表明,一个响应生长素和丛枝菌根共生诱导表达的番茄吲哚乙酸氨基合成酶基因SlGH3.4,其启动子的功能区域有三个调控菌根诱导表达的顺势作用元件:一个生长素响应元件AuxRE和两个新的菌根响应元件MYCS1、MYCS2。SlGH3.4通过介导生长素的动态平衡,在丛枝菌根真菌侵染植物皮层细胞以及丛枝发育上起着重要作用。