含羞草(Mimosa spp.)beta-根瘤菌物种资源挖掘及生态适应研究

隶属细菌变形杆菌门beta-变形杆菌纲的根瘤菌简称为beta-根瘤菌，是一类具有独特遗传基因和较强环境适应能力的根瘤菌类群。通过对含羞草根瘤菌的系统研究，发现我国云南富有β-根瘤菌资源，本项目特提出以广西、福建、广东等热带和亚热带地区为主，对不同生态地理环境的含羞草根瘤进行采集，并对根瘤菌进行分离，培养和保存，通过分类与系统发育研究获得一批以β-根瘤菌为主的含羞草根瘤菌物种资源，并分析beta-根瘤菌的地理分布特点；对beta-根瘤菌结瘤固氮能力、污染物降解、耐旱性、温度适应和盐碱耐性及相关基因进行研究。同时对结瘤植物根际及周边土壤进行采集，研究土壤微生物的种类及固氮基因与beta-根瘤菌之间的关系。该研究为生物固氮定向改造和构建非豆科作物固氮新体系提供丰富的种质资源库和基因库，并为生物修复的研究和应用提供科学依据，同时对根瘤菌的新型研究领域进行探索。

通过以往对云南省含羞草根瘤菌多样性和系统发育研究，掌握了β-根瘤菌的培养和分离方法，也认识了含羞草的分布特征，为进一步研究含羞草根瘤菌打下了基础。通过本项目的资助，对广东、广西和福建等省的含羞草根瘤进行了大规模的采集，并补充采集了云南省以及香港和澳门等地的含羞草根瘤。经过分离和培养，多样性以及系统发育研究，发现我国含羞草根瘤菌类群较国外其他地区更为复杂多样，具有多个种群，分别与Burkholderia mimosarum，Burkholderia phymatum，Burkholderia caribensis， Culpriavidus taiwanensis等种群亲缘关系相近，尤其与Burkholderia caribensis种群亲缘关系较近的菌群较国外其他地区更为丰富。比较土壤中分布的根瘤菌类群，我们发现两种环境下生长的根瘤菌类群差异较大，β-根瘤菌在土壤中分布较a-根瘤菌为少，但是却是根瘤中的优势类群；而且也发现了未曾在根瘤中出现的类群，说明β-根瘤菌具有较强的结瘤竞争能力，通过a-根瘤菌与β-根瘤菌的混合接种结瘤试验的结瘤根瘤菌类群克隆文库的研究也证实了这点。经分析采集根瘤地点的土壤营养元素发现，含羞草根瘤菌不同类群的分布与土壤的营养元素有关，Cupriavidus类群较适宜于氮素营养贫乏的生态环境，而对磷的要求比Burkholderia种群低。在环境适应性方面，β-根瘤菌两种类群以及a-根瘤菌均有差异。Burkholderia类群群体对重金属抗性较强，而根瘤菌属Rhizobium 与Burkholderia类群对Pb2+的抗性较强，Cupriavidus略逊于Burkholderia， 此外发现，Burkholderia菌株耐低温性能强，耐盐性和耐酸性方面也较强；而Cupriavidus耐碱性和耐旱性较强。这与Cupriavidus类群分布的生态环境有关系。研究也发现了β-根瘤菌与环境适应性相关的降解基因，如氯乙酸降解基因以及产β－羟丁酸基因。本项目所取得的成果，将推动对β-根瘤菌遗传和进化研究的步伐，为构建非豆科植物固氮体系，为农业上生产根瘤菌菌剂和工业上进行β－羟丁酸的生产即生物性可降解塑料提供了材料。本研究结果现已发表一篇SCI引录文章，完成3篇硕士学位论文，发表1篇国际会议摘要，并有主要研究结果已经撰写成文，共培养6名研究生。