黄腐酸提高大豆根瘤菌结瘤和固氮能力的分子机理

Humic acid is the main component of soil organic matter, and fulvic acid is the component of the humic acid with the lowest molecular weight and the highest biological activity. In provious study, we found that fulvic acid, produced by microbial degradation of lignite, had flavonoids analogues and auxin analogues structure, which can increase soybean nodulation and nitrogen fixation capacity. In this study, soybean vermiculite cultivation experiments as a model, GFP labeling technology and laser scanning confocal microscopy will be used to analysis the effect of fulvic acid on the formation of soybean nodulation. Macro-transcriptome sequencing, combined with Real-time PCR, gene mutation / functional complementation test results, will be used to analysis the key gene transcription and regulation mechanism of rhizobium nodulation and nitrogen fixation induced by fulvic acid. This study could explain the molecular mechanism of fulvic acid on the nodulation and nitrogen fixation capacity of soybean rhizobia at the gene level, providing a theoretical basis for further study on the nodulation and nitrogen fixation of soybean in soil.

腐植酸是土壤有机质的主要组成成分，黄腐酸是腐植酸中分子量最小，生物活性最高的组分。本课题组前期研究发现，微生物降解褐煤产生的黄腐酸具有黄酮类似物和生长素类似物的结构，可提高大豆根瘤菌的结瘤和固氮能力。本研究拟以大豆蛭石双层钵法为模型，采用GFP标记和激光共聚焦技术分析微生物降解褐煤产生的黄腐酸在大豆根瘤形成过程中的作用；使用宏转录组测序手段，结合Real-time PCR和基因突变/功能互补试验结果，分析黄腐酸诱导后大豆根瘤菌结瘤和固氮关键基因的转录和调控机制。本研究结果可在基因水平上诠释黄腐酸提高大豆根瘤菌结瘤和固氮能力的分子机制，为进一步研究土壤组分在大豆结瘤固氮中的作用提供理论参考。

生物固氮在全球氮循环和农业生产中占有十分重要的地位，腐植酸对豆科植物结瘤数量和固氮效率具有显著的调节作用，其在低氮水平下可以提高豆科植物的结瘤数量和固氮效率，高氮水平下可以缓解氮对结瘤的阻遏作用，但其机理还不清楚。本研究以慢生根瘤菌Bradyrhizobium liaoningense CCBAU 05525和大豆品种冀豆12为实验材料，通过黄腐酸对根瘤菌侵染过程的影响，结合转录组学揭示低氮水平下黄腐酸提高大豆结瘤数量的分子机制。以快生根瘤菌Sinorhizobium fredii CCBAU 45436和大豆品种郑豆1307为实验材料，研究了腐植酸缓解高氮对大豆结瘤的阻遏作用和提高根瘤菌发酵液细胞密度的机制。获得如下结果：1、黄腐酸可以诱导根瘤菌产生更多的结瘤因子，促进根瘤菌在大豆根系表面的吸附、在根内的侵染和定殖，从而提高大豆结瘤数量。2、高效液相色谱（HPLC）和靶向代谢组结果表明，黄腐酸通过调控玉米素（ZT）、生长素（IAA）、赤霉素（GA3）、脱落酸（ABA）、茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）等内源激素的含量和分布提高大豆结瘤数量。3、转录组学解释低氮浓度下黄腐酸提高大豆结瘤的机制。这一过程涉及植物激素信号系统、ABC转运系统、植物-病原菌互作等多个途径，其中与激素信号系统相关的差异基因有81个，证实黄腐酸在调控内源激素中的作用。4、转录组学分析了腐植酸缓解高氮对大豆结瘤阻遏的机理。这一过程涉及根系类黄酮合成途径基因、胺分解代谢、激素合成、氮化合物代谢等多个生物途径。5、参与解析黄腐酸提高根瘤菌发酵液中细胞密度和存活能力的机理。转录组学结合基因敲除技术证实这一过程的关键基因为rsh基因。上述研究结果为揭示腐植酸在共生固氮中的作用机制，进而为利用腐植酸提高大豆产量提供理论依据和方法。