我国不同区域花生根瘤菌多样性及其新结瘤基因型菌株基因组分析和共生互作机理研究

Peanut (Arachis hypogaea L.) is one of the most important edible oil crops in China. Peanut-rhizobia symbiosis in peanut root is a model system for investigating the crack-entry infection way of mutual rhizobia, which mechanism is largly unkown. Using polyphatic taxonomy, we have previously analyzed the phylogeny of the rhizobia associated with peanuts grown in Huang-Huai-Hai Area in China. In the present study, more peanut rhizobia will be collected from other deverse ecoregions including Guangdong, Guangxi and Liaoning provinces and their phylogeny will be analyzed. These data are crucial to mapping the peanut rhizobial population distributions in relation to soil physical and chemical properties all over China and are helpful to apply adaptive rhizobial innoculants in peanut production, discover potential new taxa of rhizobia, and clarify whether peanut is originated in China. Furthermore, the genomes of two new peanut rhizobia will be sequenced to clarify their phylogeny and evolution. Their devergence in nod and nif genes will also be elucidated by comparing their nodulation and nitrogen-fixing genes sequences. Confocal microscopy and genetic techniques will be used to survey the role of the rhizobia with the new nod genes on root colonization, bacterial infection process, bacterial differentiation etc.so as to elicit their functions on the symbiotic interaction between peanut and the rhizobia.

花生是我国最重要的油料作物，对花生-花生根瘤菌共生体系的共进化关系和共生互作机制尚不清楚。在已系统研究了我国中部花生根瘤菌多样性的基础上，本研究拟采用多相分类的方法，对我国南部和北部重点花生种植区 (广东，广西和辽宁) 的花生根瘤菌进行系统发育研究，这有助于绘制我国花生根瘤菌种群分布及其与土壤因子关系地图，为科学利用花生根瘤菌提供理论依据，有助于为"我国是花生起源地之假说"提供间接证据，有助于丰富国际根瘤菌分类系统；采用基因组测序技术获得两株新结瘤基因型花生根瘤菌的基因组序列，弥补国际上尚无花生根瘤菌基因组序列报道的空缺，采用生物信息学方法重点分析共生基因序列的系统发育和进化；利用遗传学方法和共聚焦显微镜观察等技术，分析新结瘤基因花生根瘤菌在裂缝侵染和共生互作中的作用，阐明其在与花生的共生互作过程中的功能和机制。

花生是我国重要的豆科油料作物，国内外对花生根瘤菌的遗传多样性等研究很少。本研究采集我国南方生态区和东北生态区的花生根瘤菌500多株，采用多相分类方法研究确定了我国花生根瘤菌的种群结构、地理分布特征及其与土壤环境因子的适应性，发表根瘤菌新种群5个；首次揭示了花生根瘤菌种群异常丰富，为深入的研究提供了宝贵种质资源；与我国大豆根瘤菌的种群结构比较和交叉结瘤验证等多方面分析，明确了花生根瘤菌与大豆根瘤菌的不同，修正了花生和大豆根瘤菌互接结瘤的错误认识，为花生和大豆根瘤菌剂正确应用提供依据；通过大量的田间试验研究筛选出了我国花生主产区的高效花生根瘤菌5株，可为花生根瘤菌应用提供优良菌剂。.. 对花生根瘤菌与花生和绿豆的共生关系研究揭示了花生根瘤菌主要有两种表型，I型菌分布广泛，II型菌仅限于两广地区分布，它们在固氮时期长短、结瘤数量、结瘤特性、固氮能力等特征都有显著差异；进一步完成了两种共生表型的代表菌株的基因组测序和分析，从基因组水平揭示了两种共生表型的遗传差异——不仅与普遍认知的共生基因有关，也与表型群特异的核心基因和共生相关基因有关；两种共生基因型花生根瘤菌的共生基因突变体构建和功能分析结果确定了花生——花生根瘤菌的共生依赖结瘤因子，而绝大多数根瘤菌中共生依赖的结瘤基因的正调控基因nodD，在花生根瘤菌与花生结瘤共生中是不依赖在的，而与绿豆的共生中，两种共生基因型的根瘤菌表现出截然相反的结果，I型与绿豆结瘤不依赖nodD1或nodD2或nodD1D1，而II型与绿豆结瘤依赖其仅有的nodD1基因；用Tn5转座法构建了450万容量的突变体库，并初步筛选到了与花生和绿豆共生表型差异有关的突变体32个；基因组比较分析和共生基因的遗传学研究发现花生根瘤菌与大多数根瘤菌的差异，深入研究有助于揭示根瘤菌未知的共生的复杂性和机制。