酸碱胁迫影响大豆与根瘤菌共生固氮的机制研究

Soybean is an important grain and oil and intercropping plants. The efficiency of symbiotic nitrogen fixation (SNF) directly affects the yield and quality of soybean and other crops. Soil pH is a major constraint for efficient SNF in legumes, including soybean. Mechanisms effecting legume nodulation by soil pH, although highly prevalent and economically significant, are poorly understood. Considering the final aim of designing more effective breeding and genetic engineering strategies for developing pH-tolerant legume crops for pH stress soils, this study was undertaken to identify the mechanisms of SNF to pH stress. In this study, we will study infection and colonization of the rhizobium on host soybean plant in different pH level. And analyze the number of early nodulation signaling pathway and the AON pathway related genes and measuring several SNF related signaling molecules. Plant transcription and metabolite profiles will obtained, and the activities of C and N metabolism-related enzymes were measured in leaves, roots, and nodules of soybean plants that were inoculated with different species of rhizobium. Furthermore a comprehensive microbiome analyses of contrasting-soybean associations under different pH condition were conduct. The results will help us to understand the mechanisms of rhizobia infection, nodulation and symbiotic nitrogen fixation efficiency under acid and alkali conditions.

大豆是重要的粮油和间套作用植物，共生固氮效率的高低直接影响着大豆和其他作物的产量和品质。土壤pH值是豆科植物，包括大豆共生固氮的主要制约因素。尽管土壤pH对共生固氮的影响非常广泛和显著，但详细的机制研究的较少。为了更好的通过育种和遗传操作的技术提高豆科作物的pH耐受性，本研究将系统的研究酸碱逆境对大豆快生和慢生根瘤菌共生固氮的影响。首先我们将研究酸碱逆境对大豆与快慢生根瘤菌早期共生相关性状的影响，然后通过代谢组学和转录组学相结合的手段，研究在根瘤的发生发育过程中宿主植物响应酸碱条件的基因和代谢物的变化规律和分子调控网络，为结瘤的起始和控制提供新线索。同时将通过16S rDNA测序技术比较酸碱逆境下宿主根际和叶际微生物群落结构和多样性，推测微生物群体的潜在功能及其在根瘤菌与大豆互作中的作用。该研究的结果将有助于系统了解酸碱条件下根瘤菌侵染、结瘤与共生固氮效率调控的机制。

植物与不同的微生物建立了密切的关系，形成了复杂的群落，这些群落在寄主植物和环境中各不相同，这种平衡的改变可能影响寄主的生长或引起疾病。大量证据表明，与根相关的微生物群可以影响植物-病原菌相互作用的结果。根瘤菌与豆科植物共生是植物-微生物共生的一种重要类型，这种共生关系的建立是一个非常复杂的过程。在大豆中，中华根瘤菌（Sinorhizobium）和慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）是两类主要的共生菌，它们的结瘤能力不同。这些共生关系是否会受到生活在土壤中的共生微生物的影响还未有研究。本研究发现，来自三个大豆主栽区的三种类型土壤（武汉酸性、吉林中性和河北碱性）中根际微生物的组成存在显著差异，而且根瘤菌与其他根际细菌存在明显互作关系。进一步研究还发现芽孢杆菌和假单胞菌等大豆根际微生物与根瘤中快生和慢生根瘤菌的定殖有关。值得一提的是，在培养的278株候选芽孢杆菌中，蜡样类芽孢杆菌组不仅能特异性地促进快生根瘤菌，抑制慢生根瘤菌的生长，还能缓解盐碱胁迫对快生根瘤菌结瘤的负面影响，增加其在根瘤中的定殖。本研究结果证明，根际细菌微生物群在大豆根瘤菌-宿主互作和共生关系形成中发挥着关键作用。这些发现为使用合成细菌群落提高大豆-根瘤菌共生固氮效率提供了科学依据。