植物与微生物的互作是复杂多变的,例如病原微生物激活植物启动抗病防御策略,共生微生物刺激植物激活养分循环供给。植物与微生物进化出的这种既相互防御又相互合作的关系,使植物能更好的应对复杂的环境变化。生长素几乎参与了植物生长发育的所有过程,包括应对与有害/有益微生物互作的过程。当植物抵抗病原微生物入侵时,生长素控制植物的生长并响应水杨酸介导的植物免疫信号,协调生长和抗病的平衡。当植物与土壤微生物互作共生时,生长素为菌-根共生新器官的建立提供必须的激素信号。无论是抗病防御还是互作共生,生长素极性运输介导的生长素浓度梯度的建立和维持是植物与微生物互作的前提。然而,生长素依赖的植物生长如何响应并有效抵御有害微生物的入侵、容纳有益微生物的定殖,大量的未知问题有待解决。本文开展了以下研究:1.在宿主和病原微生物相互作用过程中,生长激素生长素和防御激素水杨酸相互拮抗介导植物根系的生长和抗病防御。本研究应用蔡司超衍射Airyscan共聚焦显微镜、可变角度全内反射荧光显微镜（VA-TIRFM）等一系列前沿的细胞生物学观测手段,在蛋白单分子水平观测响应高浓度的水杨酸,细胞膜分布的生长素极性输出载体PIN-FORMED 2（PIN2）蛋白在细胞膜脂筏微区（纳米微区）的动态运动以及在细胞膜-细胞质的穿梭分布,以此调控植物根系抗病防御过程中的生长最大化。Remorin（REM）蛋白是细胞膜脂筏纳米超微区定位的蛋白,调控细胞膜脂筏微区的结构和组装。本文重点研究了在根中表达量较高的REM1亚家族,其中REM1.2与生长素转运蛋白PIN2在根中的表达模式相似,REM1.2参与PIN2介导的根向重力反应。高浓度水杨酸和REM1.2过表达扰乱根尖分生区PIN2和生长素的分布,导致根向重性缺失;在rem1.2突变体中,水杨酸对PIN2和生长素的分布以及根的向地性的影响显著降低。一方面,水杨酸通过REM1.2依赖的细胞膜脂筏微区的有序液相-无序液相的组装,调控PIN2蛋白在细胞膜脂筏微区的聚集和稳定;另一方面,水杨酸抑制网格蛋白（clatirin）介导的PIN2蛋白从细胞膜到细胞质的内吞。PIN2在质膜上的聚集和稳定抑制了PIN2蛋白在质膜-胞内的循环,以及PIN2分子在质膜上的动态扩散。因而,在低水杨酸环境下,细胞膜脂筏有序液相-无序液相和PIN2蛋白在质膜上均匀分布,PIN2蛋白通过动态内吞作用和横向扩散在囊泡和质膜之间有效运动。在高浓度水杨酸环境下,细胞膜脂筏形成聚集的膜微区,有序液相排列增加,降低了质膜流动性,PIN2的内吞和横向扩散受到限制,从而导致PIN2蛋白高度聚集,抑制了生长素运输和根的向重力性生长。本研究揭示了水杨酸在激活植物免疫之外的又一功能,通过调节植物细胞表面PIN2分布的动态范围,调控植物生长素流动进而调控根的生长,为植物抑制生长素运输以应对病原感染,从而平衡防御-生长权衡的机制提出了新的见解。2.在豆科（legumes）植物的根与固氮根瘤菌建立共生关系的过程中,生长素促进植物根皮层形成共生器官-根瘤。根瘤的形成由原基部位的生长素的局部最大值决定,依赖于生长素极性运输建立生长素浓度梯度。然而,生长素极性运输如何调控大豆定型根瘤发生和发育的机制仍不清楚。本研究运用CRISPR/Cas9基因敲除、生长素信号指示标签、高分辨率共聚焦显微镜和大豆稳定转化、荧光蛋白标记和震荡切片等方法,建立了大豆根瘤发育的独特的细胞生物学体系,可视化大豆根瘤的发生和发育过程不同阶段生长素的分布和浓度梯度的变化。实验结果表明,根瘤原基的形成伴随生长素在根瘤原基顶端的浓度梯度建成（I-II期）,但在根瘤发育中期（III期）,生长素融根瘤原基顶端撤离,最终集中到维管束（IV期）。大豆中Gm PIN1亚家族蛋白介导根瘤原基区域生长素的极性运输,促进根瘤原基的形成。在原基形成早期（I-II期）,Gm PIN1b主要呈现向顶（根瘤原基顶端）的极性,此时主要促进原基顶端生长素峰的建立;原基形成中期（III期）,Gm PIN1b极性指数（顶侧/侧向的荧光比值）降低,呈现向侧向运输生长素的趋势,伴随原基中心生长素信号逐步减弱;在成熟根瘤（IV期）中,Gm PIN1b主要集中在根瘤维管束中,此时生长素也主要集中在根瘤维管束中。上游根瘤激发因子黄酮类化合物刺激Gm PIN1b从根中柱向根皮层细胞的扩散分布,并且细胞分裂素通过调控胞内Gm PIN1b的极性,促进生长素的重定向运输,协调根瘤原基的起始和发育。Gmpin1abc三突变体的根瘤分生组织中生长素最大值的建立受损,在根瘤原基细胞中出现异常分裂。此外,过表达Gm PIN1抑制根瘤原基的起始。本研究揭示了依赖Gm PIN的生长素运输促进根瘤原基早期的生长素浓度梯度的建立,并介导生长素从原基顶端到维管束的转移,表明生长素梯度的建立是豆科植物与根瘤菌正确相互作用的先决条件。