光合根瘤菌共生与致病转换机制的研究

Photosynthetic rhizobium can develop symbiotic association with host plant, which plays vital role in the crop production and ecological protection. However, the symbiotic molecular mechanism is not determined yet. Here our preliminary result showed that the quorum-sensing deletion mutant of Bradyrhizobium sp. ORS278 turns into a pathogen against the rice plants, suggesting that the quorum-sensing system plays a role in mediating the symbiotic process. With the WT and the pathogenic mutant strains, we plan to conduct transposon library screening combined with high through sequencing to look for the symbiotic and pathogenic candidate genes, and to identify the metabolites secreted by bacteria using the metabolomics analysis, in order to uncover the mechanism of pathogenic transition. Understanding the key factors affecting symbiotic and pathogenic transition and related regulatory mechanisms, may benefit construction of recombinant photosynthetic strains for increasing symbiotic efficiency, which may have significant theoretical and applied value for food security and ecological conservation.

光合根瘤菌和植物的互作共生，对粮食生产和生态保护具有重要意义，然而其之间的互作分子机制仍然不清楚。我们的前期研究表明，光合根瘤菌ORS278的群体感应系统对菌株与水稻的互作共生有着决定性影响。群体感应系统敲除后，共生有益的菌株转而对水稻致病，说明群体感应系统调控着光合根瘤菌与水稻共生的关键互作因子。本项目拟以野生型菌株作为参照系，对群体感应系统敲除菌株进行转座子突变筛选和高通量测序，筛选影响与植物互作的基因，并通过代谢组学分析查找影响互作的代谢产物，从而揭示光合根瘤菌对植物的共生与致病的转换机制。明确影响共生与致病的关键互作因子和调控机理，将有助于构建重组菌株，提高菌株和植物的互作效率，对保障粮食安全，促进生态建设具有理论意义和实际应用价值。

本研究选取慢生光合根瘤菌菌株作为研究对象，探索其与植物互作共生的内在具体分子机制。本研究主要研究光合根瘤菌的群体感应分子机制是如何影响菌株的共生有益性与致病性的转换。我们的研究发现，发现了慢生根瘤菌对水稻和相关宿主豆科植物的明显的促生作用，并指出其群体感应系统在其中起着关键的作用。群体感应系统的缺失影响慢生根瘤菌在宿主植物的根的定殖，该定殖与生物膜的产生的关联不大。相反，群体感应信号敲除菌株对水稻则有着明显的致病性作用。说明群体感应系统调控着光合根瘤菌与植物共生的互作因子，在光合根瘤菌共生与致病的转换中，起着决定性的作用。该致病模型的发现，突破了传统上光合根瘤菌是共生有益菌的认识。本课题对群体感应系统调控光合根瘤菌植物互作共生过程的分子机制进行深入研究，从光合根瘤菌研究的角度，可以加深我们对光合根瘤菌和宿主植物之间是通讯交流机制的认识，有利于增进光合根瘤菌与植物的共生效率从而提高作物产量；从群体感应研究的角度，可以扩宽群体感应系统研究的领域，进一步认识群体感应系统的跨界信号转导的生物学功能，利用慢生根瘤菌菌株特殊的群体感应系统，发现群体感应系统新的调控分子机理；从进化学研究的角度，能为致病菌和有益菌的进化演化提供线索；从植物学研究的角度，可以了解植物防御系统的工作原理，为防治植物病害提供新的研究思路和技术手段。