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豆科植物能与土壤中的根瘤菌建立共生关系,在其根部形成固氮根瘤。共生固氮提供宿主植物生长所需要的氮,但产生过多的根瘤会影响植物的发育。因此,根瘤形成的数目受到宿主结瘤自我调节及环境因子的调控。本文对百脉根结瘤数减少的共生突变体rel3进行了表型鉴定和分子机理研究。在共生和非共生条件下,rel3的主根比野生型短,侧根数减少,结瘤数目约为野生型一半,结瘤区比率显著低于野生型。然而,突变体与野生型的固氮酶活力没有差异。这些表型分析表明rel3根瘤数目减少,可能是突变体结瘤区域变窄所致。用LacZ标记的根瘤菌接种突变体,发现rel3的侵染事件显著减少,这暗示rel3侵染频率的降低,使rel3的结瘤区域变窄,最终导致rel3的结瘤数目降低。为了进一步阐明REL3突变导致根瘤数目减少的分子机理,首先分析了rel3对结瘤负调控因子氮和乙烯的敏感性。结果表明,用硝酸盐和乙烯处理后,rel3和野生型产生相似的结瘤反应,这表明rel3中氮和乙烯对结瘤的调节不受影响。另外,通过野生型与突变体间的相互嫁接,结果显示rel3根瘤减少的表型主要受茎基因型控制。通过发根转化获得REL3启动子-GUS转化根系,分析表明REL3在根系的维管束组织特异表达,在根瘤器官起始处的维管组织中强烈表达,随着根瘤的发育,REL3继续在发育的维管束组织中表达。这表明REL3对于根瘤的起始起着重要的作用。REL3突变使植物体内TAS3 -siRNA的合成受阻,导致TAS3 -siRNA调控的靶基因即生长素应答因子ARF3和ARF4的表达上调。这些提示我们rel3结瘤减少可能与生长素有关。用生长素抑制剂NPA和TIBA处理后,rel3显示出更强的向地性丧失,表明rel3对生长素抑制剂的处理比野生型敏感,这暗示rel3根系中生长素的极性运输发生了改变。这种生长素极性运输的改变是否参与了根瘤起始的研究正在进行中。根据现有的研究结果,我们推测REL3的突变改变了根系中的生长素运输,使得根皮层细胞中的生长素浓度改变,导致根系中结瘤敏感区域根瘤起始所需要的生长素浓度范围变窄,因而产生较窄结瘤区域,从而形成较少的根瘤。本研究提供了ta-siRNA途径调控的生长素信号途径,直接参与了共生根瘤起始的证据。