结瘤素及其基因表达

一、前言: 根瘤菌与豆科植物相互作用产生固氮根瘤要经过一系列复杂的过程,这些过程中涉及到许多植物及根瘤菌基因的表达。在根瘤菌方面,除有编码固氮酶的基因以及参与其表达调节的nif、fix基因外,还需要有参与结瘤过程的nod基因及参与细菌胞外。多糖合成的exo基因,这些基因的任何一个发生变异都会影响共生固氮过程。     

根瘤菌结瘤基因研究的新突破

根瘤菌是能侵入合适寄主植物根部并形成根瘤的一类细菌。由于在根瘤中,根瘤菌可以大量固定大气中的氮,因而在生物固氮研究中具有重要地位。过去十年中,由于分子生物学技术的进展使我们对根瘤菌遗传的各个方面有了许多了解。在一些根瘤菌中,成功地识别、分离了与共生固氮有关的基因。这些基因中有一类是与根瘤菌固氮能力有关的,统称为固氮基因(Fix基因)其中偏码固氮酶的结构基因nif HDK在所有已检查过的固氮微生物中具     

共生固氮体系中的豆科植物基因

豆科根瘤菌发现的近百年历史以来,共生固氮作用一直受到人们的瞩目。近廿几年来对根痛瘤—豆科植物共生体的研究进展迅速,对共生体中根瘤菌本身的固氮基因(nif)和结瘤基因的编码、定位等有了较深入的了解。然而,共生体系中基因的调控是比较复杂的,环境因素和寄生植物基因对共生固氮的调控也起着重要作用。人们对豆科寄主结瘤和固氮遗传进行了一系列研究,并力图选育高固氮的豆科品种资源。本文仅就豆科植物—根瘤菌共生固氮体系中寄主植物基因及它在共生固氮体系研究中的作用和意义作简要的概述。     

katG基因在豌豆根瘤菌抗氧化中的功能

摘要:【目的】细菌中过氧化物/过氧化氢酶KatG参与活性氧(ROS)的解毒过程,从而防止其对细菌生长伤害,本文研究根瘤菌中katG基因的抗氧化功能对豌豆根瘤菌3841生长及共生固氮的影响。【方法】通过基因敲除、遗传互补和对菌株的抗氧化和共生能力分析,系统地探究了根瘤菌中katG基因的功能。【结果】katG基因突变不影响菌株在自生培养条件下生长状况,但H2O2短时间处理导致突变株的存活率显著下降。实时荧光定量RT-PCR结果显示,H2O2不能诱导豌豆根瘤菌3841katG基因的表达。进一步研究发现突变体中katG基因缺失能显著提高抗氧化基因ohrB的表达,而降低grxC基因的表达。植物盆栽实验发现,katG突变虽然对根瘤菌共生固氮能力和竞争结瘤能力均无影响,但katG在类菌体中表达显著下调。同时,katG突变显著影响了根瘤菌在植物根圈中的定殖能力。【结论】研究表明katG虽对豌豆根瘤菌自生和共生固氮无明显影响,但在抗氧化和根圈定殖中起重要作用,外源H2O2对katG的表达无诱导作用,但katG调节ohrB和grxC等抗氧化基因的表达,从而在抗氧化和共生中发挥作用。     

影响根瘤菌共生固氮效率的主要因素及遗传改造*

介绍了影响根瘤菌共生固氮效率的主要因素及遗传改造 :包括土壤因素、宿主植物、四碳二羧酸转移酶基因dct、固氮调节基因nifA、吸氢酶基因hup、共生质粒 (基因 )、缺陷型回复突变等。     

豆科植物早期共生信号转导的研究进展北大核心CSCD

豆科植物与根瘤菌建立特异的共生关系,在寄主根部产生固氮根瘤。此过程包含了共生信号识别与传递、根瘤菌侵染、根瘤形成以及固氮功能实现等生物学事件。研究人员已经从2种豆科模式植物蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)和百脉根(Lotus japonicus)的共生固氮体系中,筛选到许多与根瘤菌共生相关的突变体及其相对应的功能基因,建立起包含结瘤因子识别、共生信号传递和转录响应在内的早期共生信号途径。该文对豆科植物早期共生信号途径的新进展进行了综述。     

根瘤菌结瘤基因及结瘤竞争研究的新进展

根瘤菌作为一个重要的土壤微生物类群,日益受到人类的重视。近廿年来,对根瘤菌本身及根瘤菌-豆科植物共生体系的研究发展很快。本文仅就根瘤菌结瘤基因及结瘤竞争研究的新进展作一简略介绍。根瘤菌中最重要的两个基因是固氮基因(n(?))和结瘤基因(nod)。过去若干年里对nif基因做了大量的研究,取得了重要的成果。对它们的研究目前仍在继续深入。比起nif基因,对结瘤(nod)基因的研究处于起始阶段,但进展很快。这可以从几个方面反映出来。     

巴西固氮螺菌中吸氢酶基因同源性的分子检测

通过TTC(2 ,3,5 氯化三苯基氮唑 )实验筛选出 12株能产生吸氢酶蛋白 (Hup+ )的巴西固氮螺菌 (Azospir rilumbrasilense)菌株。用Qiagen柱分离提纯含豌豆根瘤菌的hup基因片段的质粒 pHVT10 9和pHVT115 ,并用地高辛标记法标记pHVT115 ,与 12株Hup+ 巴西固氮螺菌的总DNA进行斑点杂交 ,结果显示pHVT115所含的吸氢酶基因 (hup基因 )片段与巴西固氮螺菌的大部分菌株的hup基因同源性不强。这一结果表明hup基因在固氮生物中存在着遗传多样性 ,异源hup基因探针不一定都适宜于探测hup基因。     

根瘤菌与植物离体细胞培养物结合时的固氮活性

本文报道了根瘤菌和一些豆科及非豆科植物离体细胞培养物的结合固氮。豇豆型根瘤菌330、330 S 和32H1菌株与大豆(根、胚轴、子叶和叶子)细胞体外结合时均有固氮活性,与烟草叶片的细胞及马铃薯块茎的细胞体外结合时,固氮活性都比较高。在我们的试验中,豇豆型根瘤菌330和330 S 二个菌株的固氮活性都比32H1菌株的高。大豆根瘤菌(B_(15)、C_8和A_(84)菌株)与植物离体细胞结合时,固氮活性都不如豇豆型根瘤菌(330、330 S 和32H1)的高。不同种或品种的植物离体细胞培养物,对根瘤菌固氮活性有不同的影响。在我们的试验条件下,根瘤菌的固氮活性在注入乙炔1天后才开始出现,在一个月内随保温时间的延长,每瓶培养物中的乙炔还原成乙烯的量不断增高。但是,当以每克培养物的干重为单位时,在注入乙炔后5—10天内固氮活性增加较快,12天以后开始降低。根瘤菌在液体培养基中纯培养时,马铃薯的细胞悬浮液和马铃薯的提取汁都可以促进固氮酶活性的表达。     

根瘤菌吸氢酶基因转移的研究

通过三亲本杂交将含有花生根瘤菌吸氢基因的质粒pZ 55(Tcr)转入不吸氢的花生根瘤菌Ra 34等菌株 (Hup- ,Nif+,Apr)中 ,筛选到既具有吸氢又具有固氮能力的花生根瘤菌结合株Rz34 2。在自生和共生条件下 ,结合株均可表达高吸氢和高固氮活性。以结合株Rz34 2接种的花生植株叶片的干重比不接种的、接种受体株Ra34(Hup- )和接种对照菌株L8 3(Hup+,Nif+)的分别高 6.2 %、7.6%和 6.3% ;种子的含氮量分别高 8 9%、1.00 %和 6.0 % ;产量分别高 188%、1 0 5%和 1 0 7%。研究结果表明 ,以含吸氢基因的结合株接种花生能提高根瘤菌与花生的共生固氮效率 ,增加作物的产量。     

华癸根瘤菌外膜孔蛋白编码基因MCHK_1326突变株的构建与共生固氮表型分析

【目的】Mesorhizobium huakuii 7653R的MCHK_1326基因编码一种外膜孔蛋白,可能参与根瘤菌侵染宿主植物以及结瘤固氮过程,本研究旨在探索该基因在共生固氮中的功能。【方法】生物信息学分析MCHK_1326蛋白的结构特征及生物学功能,启动子原位表达技术检测MCHK_1326共生时空表达特征,利用Cre-loxp系统构建MCHK_1326缺失突变株,考察其共生固氮表型及早期侵染事件,通过植物盆栽并额外添加无机氮源,检测突变株接种紫云英后的共生固氮表型变化。【结果】MCHK_1326基因在侵染早期如侵染线的延伸等过程中表达,在成熟根瘤的侵染区表达,与野生型相比,突变体△1326侵染线和根瘤原基数量显著减少;植株地上部分鲜重与固氮酶活性极显著降低,根瘤数量和根瘤重量显著降低;额外添加无机氮源能恢复其共生缺陷表型。【结论】MCHK_1326基因参与根瘤菌早期侵染和结瘤,在根瘤发育与共生固氮过程中发挥作用。     

一氧化氮对豆科植物结瘤及固氮的影响机制

豆科植物-根瘤菌共生过程受双方基因复杂且精细的调控, 能够产生特异的根瘤结构并可将大气中的惰性氮气(N₂)转化为可被植物直接利用的氨态氮。结瘤与固氮受多种因素影响, 其中, 一氧化氮(NO)作为一种自由基反应性气体信号分子, 可参与调节植物的许多生长发育过程, 如植物的呼吸、光形态建成、种子萌发、组织和器官发育、衰老以及响应各种生物及非生物胁迫。在豆科植物中, NO不仅影响寄主与菌共生关系的建立, 还参与调控根瘤菌对氮气的固定并提高植株氮素营养利用效率。该文主要从豆科植物及共生菌内NO的产生、降解及其对结瘤、共生固氮的影响和对环境胁迫的响应, 阐述了NO调控豆科植物共生体系中根瘤形成和共生固氮过程的作用机制, 展望了NO信号分子在豆科植物共生固氮体系中的研究前景。     

基因水平转移在根瘤菌进化中的研究进展

豆科植物与根瘤菌之间形成的共生固氮是自然界效率最高的一种固氮体系,在农业生产上具有重要的应用价值。由于根瘤菌的宿主专一性较强,每种根瘤菌只能与有限的豆科植物形成共生关系,近来的一系列研究表明共生基因的水平转移和宿主条件下的适应性进化是推动根瘤菌进化的重要方式。综述了基因水平转移的主要方式在根瘤菌进化和扩大宿主范围上的重要作用,以及获得共生性状的菌株在建立共生体系时存在的问题和解决方法,旨为共生固氮在农业生产中更好地应用提供思路。     

生物固氮

922230通过诱变、基因工程和配方改进根瘤菌接种物〔英〕/Paau,A.5.…了Bioteehnol.Ady一1901,。(2)一173一184〔译自DBA,1991,10(23),91一13543) 就以下方面综述了用于固氮的根瘤菌(Rh玄:-。从。m Spp.)菌株的改良:通过诱变改良菌株;根瘤菌菌株的遗传工程;固氮nif和fix基因,结瘤nod基因;底物传递和利用;竞争性与结瘤,其它有价值性状;和配方。导入另外的ni fA序列的根瘤菌已用于提高首蓓产量。鉴互定的nif和fix启动子可使克隆的外源基因在共生条件下在固氮菌中选择性表达,例如苏云金芽抱杆菌(Ba叭U:s林,,‘。夕艺eos‘。var.te:eb:‘o…     

苜蓿中华根瘤菌Sm NifA蛋白与阴沟肠杆菌Ec NifA蛋白功能差异的研究

nifA基因是固氮基因nif的调节基因, 其产物NifA蛋白是固氮过程的中心调节因子. 将多拷贝组成型表达的苜蓿中华根瘤菌(Sinorhizobium meliloti, Sm) nifA基因或阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae, Ec) nifA基因引入苜蓿中华根瘤菌野生型菌株Sm1021和苜蓿中华根瘤菌nifA突变型菌株SmY中, 并检测这些苜蓿中华根瘤菌感染苜蓿之后根瘤的表型及固氮酶活性. 实验结果表明, 苜蓿中华根瘤菌NifA蛋白和阴沟肠杆菌NifA蛋白在苜蓿中华根瘤菌中的功能有明显差异. 在野生型菌株Sm1021中, 引入多拷贝Sm nifA基因对宿主根瘤固氮效率的促进作用明显优于引入多拷贝Ec nifA基因的作用. 引入多拷贝Sm nifA基因的SmY菌株(nifA突变型)能够共生固氮, 而引入Ec nifA基因的SmY菌株仍然不能固氮. 氨基酸序列同源性分析显示, N末端结构域是Sm NifA蛋白和Ec NifA蛋白同源性最低的功能域. 进一步研究表明, Sm NifA蛋白的N末端结构域在互补苜蓿中华根瘤菌nifA突变型菌株SmY的固氮功能时是必需的.     

华癸根瘤菌urtB基因突变株的构建与共生固氮表型分析

【目的】尿素ABC转运体透性酶亚基编码基因urtB可能参与尿素代谢及支链氨基酸转运;本文旨在获得实验证据阐明urtB基因对华癸根瘤菌结瘤和固氮的影响,为深入研究其功能机制提供一定的科学依据。【方法】利用生物信息学分析urtB基因的结构特征及生物学功能,通过荧光定量检测urtB基因在自生和共生条件下的时空表达特征和启动子原位表达技术检测urtB基因组织表达特征,采用插入突变构建urtB突变株,通过植物盆栽并结合添加氮素处理,检测与分析突变体的共生固氮表型变化。【结果】分析表明urtB基因对于氮素转运非常重要,在共生条件下的表达水平比自生培养条件下显著上调表达;在成熟根瘤的固氮区中大量表达;正确构建和筛选获得了根瘤菌urtB突变株;接种urtB突变株与野生型菌株7653R相比较,突变体根瘤发育异常;植株地上部分生物量和根瘤固氮酶活性显著降低;添加氮素可恢复其共生缺陷表型。【结论】华癸中慢生根瘤菌urtB基因可能通过影响根瘤中氮转运或同化,进而在根瘤发育与共生固氮中发挥重要作用。     

马铃薯培养基中的根瘤菌自生固氮活性

以20％马铃薯提取液为主,加88毫克分子阿拉伯糖(或蔗糖、或葡糖酸盐)、2.5或25毫克分子琥珀酸钠以及0.7％琼脂,配成简易的马铃薯培养基。豇豆根瘤菌(Rhizobium sp·)330S、330V和32H1三个菌株,以及大豆根瘤菌(Rhizobium japonicum)C_8和B_(15)二个菌株纯培养在此培养基上,均具有自生固氮活性。 气相氧的浓度在0.75～2％时,根瘤菌的固氮活性最高。氧浓度超过10％时,活性显著被抑制。当根瘤菌的固氮酶活性已表达后,加入10％氧,2小时后活性就降低,44小时后随着气相氧浓度的下降,固氮活性又有所恢复。在加入不同碳源的马铃薯培养基中,根瘤菌固氮活性的水平因不同菌株而有差异。培养基中加入适当浓度的琥珀酸钠,根瘤菌固氮活性显著提高。培养基的pH在6.4～7.0范围内,豇豆根瘤菌的固氮活性较高,pH低于5.4或高于8.0时,都没有活性。预培养17天的豇豆根瘤菌仍有一定的固氮活性,但以5～7天的活性最高。分析马铃薯不同提取部分对根瘤菌生长和固氮活性的影响时,表明水溶部分比脂溶部分的效果好。     

固氮作用

863252一种与菜豆根瘤菌基因连接的质粒psi抑制产生外多糖并且是共生固氮所需要的〔会,英〕/Borthakur,D.…厂Abs,6thl:卜ternatl.Syrn.NitrogenFixation一1985,9一03 菜豆根瘤菌(Rhi:obium力haseoli)一个菌株在消除了其共生质粒pRPZ月之后,保持制造外多糖(EPS)的能力。但是,pRPZJI的一段,当以增加的拷贝数克隆在广范宿主载体中并转移到这个或别的根瘤菌菌株中时,抑制了EPS合成。这种基因称为Psi(抑制多糖)并定位于共生质粒中靠近结瘤和固氮基因的一个区段。Psi在共生作用中是重要的,因为一株含有克隆在多拷贝质粒上的PSi的野生菌…     

固氮作用

加利福尼亚大学开展的研究有可能建立一些新颖的、固氮能力很强的根瘤菌株,以便与野生的本地菌株竞争。从三叶草豌豆根瘤菌中分离出产生三叶毒素(trifolitoxin)的基因,并把这些基因插入固氮能力很强的菌种中,以提高其竞争力。产生的三叶毒素比野生菌株提高10     

根瘤菌共生固氮能力的进化模式

根瘤菌-豆科植物共生固氮体系对农业的可持续性发展至关重要,也是研究原核与真核生物互利共生的模式体系之一。长期以来,根瘤菌共生固氮相关研究主要集中在结瘤因子与固氮酶合成及调控等少数关键基因,但仅获得这些关键基因却不能保证细菌获得结瘤固氮能力。随着比较和功能基因组学的快速发展和应用,越来越多的研究发现根瘤菌使用了很多系统发育分支特异的遗传机制与豆科植物建立有效的共生关系,进一步揭示了双方互利共生的复杂性。本综述总结了近年来比较基因组学、遗传学以及实验进化等方面的相关研究进展,在此基础上讨论根瘤菌共生固氮能力的进化模式。