苜蓿中华根瘤菌共生必需的LsrB调节蛋白感受氧化信号的分子机制

Rhizobium infects legume host plants to induce formation of root or stem nodules, where atmospheric nitrogen gas is fixed as ammonia, called symbiotic nitrogen fixation. It is one of the most important biochemical reactions on Earth. Under the support of an NSFC project previously, we found that a Sinorhizobium meliloti LysR family regulator, LsrB suppresses premature senescence of alfalfa nodules, and regulates biosynthesis of glutathione and lipopolysaccharide, and the expression of a catalase. Therefore, we propose that LsrB is the regulator sensing oxidation signals to control metabolism of reactive oxygen species (ROS) during symbiosis. Our recent data showed that the expression of lsrB is induced by oxidizing agents, and the lsrB deletion mutant is sensitive to oxidative stresses, suggesting that the postulation is reasonable. In this project, we are going to construct lsrB mutants with amino acid residue (such as cysteine and tyrosine) replacements and will analyze their phenotypes of oxidizing agent sensitivity, nodulation, nitrogen fixation, gene expression related to ROS metabolism, protein dimerization and DNA binding activity. The results will demonstrate the molecular mechanism of LsrB regulating ROS metabolism during symbiotic nodulation, which is very important for deeply understanding the mechanism of symbiotic nitrogen fixation and enlarging Rhizobium host ranges onto nonlegume crops.

根瘤菌诱导豆科植物形成根瘤或者茎瘤，将空气中的氮气同化为氨，即共生固氮作用，是自然界最重要的生物化学反应之一。在上一个国家自然基金面上项目的支持下，通过系统研究，我们发现苜蓿中华根瘤菌LysR家族调节蛋白LsrB抑制固氮根瘤衰老，调节脂多糖、谷胱甘肽生物合成以及过氧化氢酶的表达。因此，我们推测LsrB可能是根瘤菌中共生必需的氧化胁迫感受调节蛋白。我们近期的研究发现lsrB基因的表达受氧化剂诱导，且其突变体对氧化剂敏感，提示该假设是合理的。在本项目中，我们拟构建LsrB的氨基酸（Cys和Tyr等）替换突变体。通过分析突变体的氧化剂敏感表型、共生固氮表型、基因表达、蛋白质二聚化以及DNA结合能力，从而阐明LsrB蛋白调节共生根瘤菌（类菌体）适应氧化胁迫的分子机制。本项目的实施对于全面认识共生固氮的分子机理具有重要理论意义，为扩大根瘤菌的宿主范围，开展非豆科作物的共生固氮研究提供理论依据。

根瘤菌诱导豆科植物形成瘤状器官，将空气中的氮气同化为氨，即共生固氮作用，是自然界最重要的生物化学反应之一。我们先前的研究发现苜蓿中华根瘤菌LysR家族调节蛋白LsrB抑制固氮根瘤衰老，调节脂多糖和谷胱甘肽的生物合成以及过氧化氢酶的表达。其编码基因的表达受氧化剂诱导，且突变体对氧化剂敏感。因此，推测LsrB是根瘤菌中共生必需的氧化胁迫感受调节蛋白。在国家自然科学基金的支持下，我们通过构建LsrB的活性半胱氨酸（Cys）替换突变体（Ser）；分析突变体的氧化剂敏感表型、共生固氮表型、基因表达水平、蛋白质二聚化以及DNA结合能力。我们首次在分子水平上揭示了LsrB蛋白调节共生根瘤菌（类菌体）适应氧化胁迫的分子机制，即LsrB通过底物结构域上保守的Cys残基的氧化和还原，改变其结合目标基因启动子的能力，从而调节自身以及下游基因的表达，解除宿主免疫反应产生的ROS对细菌的毒害。本项目的顺利实施首次揭示了（共生）互作细菌具有独特的氧化胁迫感受系统，这是其与宿主建立稳定的互作体系所必需的；深化了我们对共生固氮作用机理的认识，为扩大根瘤菌的宿主范围，开展非豆科作物的共生固氮研究提供理论依据。该项目的实施，共发表标注的SCI研究论文8篇，综述论文1篇。申请国家发明专利2项。培养6名硕士研究生（毕业），出站博士后1名。