基于古老植物罗汉松的结瘤特性探讨植物共生结瘤的进化

In previous study on root nodule characteristics of Podocarpus spp., its symbiotic system not only has similarity with legume-rhizobium symbiotic system, but also is similar to non-leguminous plants Frankia nitrogen fixation system. Meanwhile, the root nodule of Podocarpus has some own special properties. According to the general rule of biological phylogeny, we propose a hypothesis that the legume-rhizobium symbiotic system and non-leguminous plants Frankia nitrogen fixation system were originated from the root nodule nitrogen fixation system of Podocarpus. In order to verify the hypothesis, comparison and analysis on morphology, structure and development of root nodule, bacterial infection processes, the features of physiological and biochemical indexes and genetic gene in the three symbiotic systems by using the method of nodulation after inoculation strains in laboratory. The goals of this study are to find out the evolution relationship of different symbiotic systems, to understand more biological characteristics of the root nodule nitrogen fixation system of Podocarpus. And, the research also expects to provide scientific basis for exploring the origin of symbiotic nodulation and paths of evolution. The results will have important significance for enriching and promoting the theory, research and utilization of nitrogen fixation.

在对罗汉松根瘤生物学特性的初步研究中，发现这一共生体系既与豆科植物-根瘤菌体系有相似之处，又与非豆科植物-Frankia放线菌体系一些相近似的地方，同时还有其自身的独有特性，于是从生物系统发育的一般规律出发，首次提出豆科植物-根瘤菌体系和非豆科植物-Frankia放线菌体系是从古老的罗汉松根瘤体系起源的两个分支的假说。为验证这一假说，利用已获得的罗汉松根瘤菌和Frankia放线菌，采用室内回结的方法，对罗汉松根瘤体系分别与豆科植物根瘤和非豆科植物根瘤的模式体系的形态结构、发育和细菌的侵染过程、生理生化及遗传基因等生物学特性相比较，了解各生物共生体系的进化关系，同时为掌握罗汉松根瘤体系更多的生物学特性，为植物共生结瘤的起源及进化演变路线的探索提供科学依据，其研究结果对丰富生物固氮理论、促进生物固氮的研究和利用具有重要的意义。

本项目研究的主要内容包括：. 1、罗汉松根瘤内生菌的提取、纯化、鉴定和回接，将提取的罗汉松根瘤的内生菌回接到无菌的罗汉松、银合欢、杨梅、台湾桤木幼苗根系；. 2、通过制片，用光学显微镜和透射电镜观察和比较上述四种植物根瘤的形态与结构；. 3、对罗汉松根瘤及其多种内生菌进行固氮酶活性测定，并与上述其它三种根瘤的固氮酶活性进行对比；. 4、利用蛋白质测序的方法测定和鉴定了罗汉松根瘤的豆血红蛋白和凝集素；. 5、罗汉松根瘤及其土壤微生物多样性研究。.通过研究得到如下五个主要结论：. 1、罗汉松根瘤内生菌及其栽培土壤中微生物种类丰富，根瘤内包含有根瘤菌和放线菌，且具有固氮功能；. 2、罗汉松根瘤内生菌与罗汉松无菌苗回接后可结瘤，且所结根瘤具有固氮酶活性，但与银合欢、杨梅和桤木回接后均不结瘤；. 3、罗汉松根瘤微生物主要从幼根的表皮入侵，少部分是从根毛侵入，侵染路线是沿着细胞间隙延伸。罗汉松各级根上，所有根瘤均起源于植物根的中柱鞘；. 4、罗汉松根瘤的结构有表皮、皮层和根瘤束组成；表皮明显栓化，皮层外几层不易着色区域，是放线菌的主要功能区，泡囊棒状居多，球形居少；内部几层易着色区域，是根瘤菌的主要功能区，每个包囊类菌体约6-8个，且形状多样；. 5、罗汉松根瘤蛋白质中有1种豆血红蛋白和33种凝集素，其中有6种凝集素属于在豆科植物中首次发现，其余的是在非豆科植物中首次发现的。.本项目研究结果的意义：. 揭示了罗汉松根瘤及其内生菌特有生物学特性及其发育的基本规律，填补了这一领域的空白，并通过比较，特别是豆血红蛋白质及6种与豆科植物共有的凝集素的发现，将裸子植物罗汉松根瘤与豆科和非豆科植物根瘤两个独立演化的共生系统关联起来，找到了它们进化过程中的交集点，后两者极有可能是罗汉松根瘤分化进化而来。本项目的研究为植物固氮共生体的系统演化规律提供了有力证据。