不同根瘤菌与苦参的混杂性共生机制研究

Relative to the specific symbiosis, the legume Sophora flavescens could establish symbiosis with obviously different rhizobia, and this relationship could be called as promiscuous symbiosis. In this system, why these different rhizobia whose differences on phylogeny, symbiotic genes, original host plants and cross nodulation, could establish symbiosis with Sophora flavescens? How about the expression of the nodulation genes? How is the structure of the Nod factor? Why the gene mutation could lead to change rhizobial host range? Based on the previous results and to answer these questions raised above, the current project will focus on the following researches: 1) deletion, complementation and exchange of the common and specific symbiotic genes to check the requirement for these genes in the nodulation with Sophora flavescens; 2) detection on the expression of nodulation genes induced by root secreta of Sophora flavescens including flavonoid and matrine, comparison on the structure of Nod factor to determine whether there are some common structures of the Nod factor produced by different rhizobia; 3) identification of mutated genes and exploration on the mechanism these genes participating in changing rhizobial host range and regulating the nitrogen fixation and development of bacteroid. By doing these studies, the aim of the project is to explain systematically the molecular mechanism of establishing promiscuous symbiosis between Sophora flavescens and different rhizobia.

豆科植物苦参可以与明显不同的根瘤菌建立起共生固氮关系，相对于专一性共生来说，可以称之为混杂性共生关系。在该共生关系中，系统发育地位不同、共生基因类型差异很大、原初的豆科宿主又不属于同一族群、不能在对方宿主上交叉结瘤的根瘤菌，为什么却都可与苦参共生？这些根瘤菌结瘤基因表达如何?所产生的结瘤因子结构有何特点？不能与苦参结瘤的根瘤菌，基因突变后却能结瘤了，为什么？针对这些问题，本项目在前期研究的基础上，拟开展以下工作：1)共同和专一性结瘤基因的删除、回补和互换，以检查苦参对不同根瘤菌结瘤基因的要求；2）受苦参分泌物——类黄酮和苦参碱诱导下的不同根瘤菌的结瘤基因表达情况，结瘤因子结构比较，以确定不同的根瘤菌所产生的结瘤因子结构上是否有共性；3）对被突变的基因进行功能鉴定，研究其改变结瘤范围，调控固氮作用和类菌体发育的机制。通过上述研究，系统阐明苦参与不同根瘤菌建立混杂性共生关系的分子机制。

豆科植物与根瘤菌的共生关系分为专一性和混杂性。专一性是指一种豆科植物只与一类根瘤菌共生固氮，混杂性则是一种豆科植物可以与多种不同的根瘤菌结瘤固氮。药用植物苦参即是属于混杂性共生的豆科植物，它可以与不同宿主、不同属种的根瘤菌结瘤固氮。项目即是从植物角度和根瘤菌角度两个方面研究苦参与不同根瘤菌混杂性共生的分子机制。. 从根瘤菌角度，项目阐明不同的根瘤菌必须能够产生结瘤因子才能与苦参共生，但这些结瘤因子骨架上的修饰可以不同。共同结瘤基因删除后的根瘤菌，不能与苦参结瘤；而结瘤因子修饰基因删除后，则不影响与苦参的结瘤。从植物苦参角度，研究明确了苦参可以产生独特的结瘤因子受体，它可以识别不同来源的结瘤因子，因此对根瘤菌选择性低；苦参还可以产生多种类黄酮，以诱导不同的根瘤菌结瘤基因nodD的表达，并进而与苦参结瘤。. 对于不能与苦参结瘤的根瘤菌，经过基因突变后，突变体也可以与苦参结瘤固氮了，因为这些基因参与调控了根瘤菌的代谢，不同的代谢途径会影响苦参是否选择与根瘤菌结瘤。但不能与苦参结瘤的野生型根瘤菌，必须能够合成结瘤因子，这是前提，之后，再被改变了基因及相应的代谢途径后，根瘤菌的突变体即可以与苦参结瘤了。. 综上所述，通过本项目的研究，革新了人们的传统观念，对研究共生固氮的人员有很多的启发，也为未来改造根瘤菌，改造豆科植物或非豆科植物，建立起新的共生关系奠定了基础。. 本项目中用绿色荧光蛋白标记了一株根瘤菌，在紫外照射下可以发光，用于追踪根瘤菌的去向。该标记菌株提供给了华南农业大学王秀荣老师，用于开展科研工作。本项目中发现的苦参结瘤因子受体蛋白序列信息，已提供给西北农林科技大学做植物学相关工作的老师，由他们来做转基因研究。. 项目的宣传工作包括在科学网陈文峰的博客开展的宣传，参加国内外固氮大会的宣讲，以及撰写了综述论文，对内容进行宣讲。