长期恶劣环境导致根瘤菌丧失结瘤能力的分子机制研究

Efficient symbiotic nitrogen fixation system established by rhizobia and legume Caragana could provide an important N-nutrition guarantee on windproof and sand stabilization in barren desert area. According to previous research, saprophytic rhizobia living in sandy soil for a long-term might adapt to harsh environmental conditions at the expense of nodulation ability, which is the molecular mechanism to be explored furtherly. Functional verification and molecular regulation of genes carried out by using genetics tools to construct deleted and complemented mutants in the genomes of the initial strain or evolved clone was studied: 1) to clarify the physiological function of critical genes in harsh environments, and explore the negative effect of gene variations on infection and nodulation process of Rhizobium; 2) to locate potential epistatic effects by using transcriptomics and qRT-PCR; and then to explore molecular mechanism of nodulation disability during adaptive evolution in environments of rhizobia. It is of great significance to reveal how rhizobia maintain high-effective symbiotic nitrogen fixation in different soil environments and ecological distribution of rhizobia in nature.

根瘤菌可与豆科锦鸡儿属植物建立高效共生固氮体系，为贫瘠沙漠地区发挥防风固沙、保持水土等作用提供了重要氮素营养保障，前期研究发现，长期营腐生生活在沙土中的根瘤菌将会以丧失与宿主植物的结瘤能力为代价来适应恶劣环境条件，这一分子机制正待深入研究。拟采用遗传学手段在出发菌株与进化菌株基因组背景下分别构建关键基因删除及回补突变体，开展基因功能验证及分子调控等研究工作：1）明确基因在适应恶劣环境方面发挥的生理功能，探究基因序列改变对根瘤菌侵染、结瘤过程产生的负面影响；2）利用转录组学结合qRT-PCR技术充分挖掘基因组上潜在的上位效应；进而探索根瘤菌环境适应性进化过程导致结瘤能力丧失的分子机制。为开展根瘤菌在不同土壤环境中如何维持高效共生固氮效率提供经验积累，对揭示自然界中根瘤菌生态分布规律具有重要意义。

根瘤菌能够与豆科锦鸡儿属植物建立高效共生固氮体系，为贫瘠沙漠地区发挥防风固沙、保持水土等作用提供了重要氮素营养保障，本研究以一株与锦鸡儿属共生能力效率最高的原始菌株R. yanglingense CCBAU01603、及其连续传代得到丧失结瘤能力的进化菌株Alk_41作为研究材料，借助遗传学手段在不同基因组背景下分别构建基因删除突变株以及相应的回补菌株。结果表明，野生型菌株R. yanglingense CCBAU01603根瘤呈椭球状，红褐色，每株植物的根瘤数约10-20个，化学染色法观察根瘤内部全部被侵染，固氮区发育成熟且布满类菌体，PHB较多，类菌体排布较为致密；而突变株ΔacrR在锦鸡儿根部形成的根瘤相对较小，呈微红色的椭球或球体，根瘤数和根瘤鲜重略有下降，根瘤内类菌体分布稀疏，根瘤固氮区发育成熟的类菌体分布也较少，最终导致共生固氮效率下降。竞争结瘤结果发现野生型菌株占瘤率为100%，突变株ΔacrR的占瘤率为0%，说明acrR基因缺失后，不仅对固氮能力产生影响，对结瘤能力也造成了很大的影响，基因mdlB和ygfZ的删除也得到了的相似的结果。同时发现单基因删除突变株均能够结瘤，但固氮效率有所下降，推测根瘤菌与宿主的结瘤过程很可能同时受多个基因的共同调控。本项目研究结果为根瘤菌的进化历史提供了必要的理论依据，为高效结瘤固氮根瘤菌的筛选及菌剂开发提供必要的参考。