锦鸡儿属根瘤菌生态适应性和分子进化研究

The ecological adaptation, competitive nodulation and resistance of rhizobia are important to establish the effective symbiosis with the windproof and sand stabilization legume Caragana and to promote the acquirement of sufficient nitrogen so that the plant can grow well in barren sandy soils. The molecular evolution and differentiation in the adaption to environments are the inherent driving power for propelling the dieversity of Caragana rhizobial species and biogeography. The aim of the present item is to explore the adaptive experimental evolution and ecological adaptation of Caragana rhizobia in the laboratory and in sandy soil of East and Center of Inner Mongolia by analyzing the comparative genomics, phenotypic characteristics, competitive nodulation, genome re-sequencing and transcriptome. By doing that, we want to reveal the inherent principles of adaptative molecular evolution on the Caragana rhizobial speciation, differentiation and geographical distribution.

要充分发挥防风固沙豆科植物锦鸡儿属的高效共生作用，保障它们在贫瘠沙土环境中获取充足的氮素营养，促进其健康生长，根瘤菌的生态适应性、竞争结瘤和抗逆特性，是建立高效共生体关键；而在适应环境过程中的分子进化、分化又是锦鸡儿属根瘤菌物种多样性和具有生物地理分布特征的内在驱动力。本项目拟借助比较基因组学、表型分析、竞争结瘤、基因组重测序和转录组学等研究手段，在实验室条件下及内蒙古中东部沙地开展锦鸡儿属根瘤菌的试验进化和生态适应性研究，以揭示生态适应性分子进化驱动下的锦鸡儿属根瘤菌物种形成、分化及地理分布差异的内在规律。

项目以锦鸡儿属根瘤菌为对象，揭示了根瘤菌适应不同宿主和环境的结瘤、固氮功能特点，以及根瘤菌的适应性分子进化规律与机制。.在适应宿主方面，交叉结瘤证明，锦鸡儿属根瘤菌还可以与甘草、黄芪、苦参等植物结瘤。从基因的有无和相似性角度方面，发现能结瘤的根瘤菌必须有nodC, nodE，nodM。删除代表菌株Rhizobium yanglingense CCBAU 01603和Mesorhizobium amorphae CCBAU 01583的nodC、nodE和nodM这些与结瘤因子合成相关的基因，突变体在任何植物上都不能结瘤。比较基因组发现一个特殊的基因nodO，其在根瘤菌属与中慢生根瘤菌属的代表菌株之间序列相似性达99%以上，而其它的基因则没有这么高的相似性，说明nodO是这些菌株有共同宿主范围的分子基础。但删除nodO基因后，发现突变体仍然能与锦鸡儿结有固氮活性的根瘤，但与膜荚黄芪所结的根瘤菌则为无效的白色根瘤，其中的原因还需要进一步研究。..在基因的分子进化方面，项目完成了21个基因种72个代表菌株的5个核心基因、6个热休克相关基因和5个结瘤基因的系统发育、平均核苷酸一致性、基因重组和基因流分析，发现分布于北方半固定沙漠带上的根瘤菌与分布于云南地区的根瘤菌存在明显的遗传分歧，说明地理隔离是基因分化和物种分化的重要驱动力；而同处于北方半固定沙漠带上的锦鸡儿属植物根瘤菌之间则有明显的基因交流，但与云南地区的根瘤菌基因之间很少交流。这些研究说明，根瘤菌基因的分子进化受到了地理环境和宿主植物的双重选择。..在适应不同生态环境方面，确定了锦鸡儿属植物能与多属种根瘤菌结瘤固氮的原因在于，它既可与最喜欢的根瘤菌结瘤，又可与其它根瘤菌结瘤，这取决于生态环境，以及根瘤菌的生态适应性。最喜欢的根瘤菌一旦优先与锦鸡儿结瘤，则会排斥与其它物种的根瘤菌结瘤；而当前者不存在时，其它根瘤菌才会与锦鸡儿结瘤；但再次遇到最喜欢的根瘤菌时，则仍然可以结瘤。..在适应盐碱环境的分子进化方面，完成了进化菌株的基因组、转录组重测序，结瘤和固氮表型和耐盐碱适应性分析。结果表明，没有宿主植物存在时，根瘤菌向适应盐碱能力增强而结瘤固氮能力降低的双方向演化。结瘤固氮的结构基因没有变化，而代谢和适应相关基因则发生了变化。此项研究首次说明，结瘤固氮基因与环境适应基因的进化必须协调一致，才能发挥最大的生物固氮作用。