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,四碳二羟酸转移酶基因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。     

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。     

科技信息

共生固氮微生物与农作物固氮蓝细菌与满江红、苏铁共生,还与真菌、苔藓、裸子植物和被子植物某些种属建立共生固氮体系;此固氮蓝细菌是地球上最早的绿色自养原核生物,行光合作用和放氧;还具共生固氮(N2)功能。已从那些固氮微生物中获得固氮基因,若能通过某种分子载体转移到水稻     

植物的血红蛋白

近几年来,植物血红蛋白的研究进展十分迅速,豆科植物中与共生固氮无关的血红蛋白基因和包括禾本科植物在内的许多非豆科植物血红蛋白基因的发现使人们对植物血红蛋白有了新的认识,进而把植物血红蛋白分为共生血红蛋白和非共生血红蛋白两种类型。对这两种血红蛋白的性质、功能、基因结构及表达等方面的研究不仅对共生固氮中植物与微生物的相互关系和固氮工程研究;而且对植物细胞的呼吸代谢和耐涝机理等研究有重要价值。     

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。     

非共生生物固氮微生物分子生态学研究进展

氮是限制生态系统生产力的主要元素,生物固氮是自然生态系统中氮的主要来源.生物固氮包括共生、联合和自生固氮3种类型,其中联合固氮和自生固氮统称为非共生固氮.相对于共生固氮而言,非共生固氮速率虽然较低,但其不需要与其他生物形成共生体系就可以生存并进行固氮,在时空分布上更加广泛,因此对生态系统氮循环特别是素输入具有重要贡献.本文对近年有关非共生固氮微生物的多样性、土壤和叶际固氮微生物的分布特征及影响因素等研究进展进行了综述,并在此基础上阐述了现有研究中存在的问题和发展前景.     

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。     

豆科植物早期共生信号转导的研究进展

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。     

硝酸盐调控豆科植物与根瘤菌共生固氮的机制研究

氮是植物生长发育所需的大量营养元素之一。硝态氮不仅可以被植物直接吸收利用,还可以作为重要的信号分子调控植物对氮素的响应、吸收、代谢相关基因的表达,从而影响植物的生长和发育。豆科植物可以通过与根瘤菌共生互作来获得生长所需的氮,但共生固氮是一个耗费植物能量的过程。当土壤中存在高浓度的氮素时,氮作为信号分子会影响共生固氮基因的功能从而抑制共生固氮过程。目前的研究表明,硝酸盐通过局部和系统的调控方式抑制共生固氮过程;结瘤自主调控(Autoregulation of nodulation,AON)和NLPs(NIN-like proteins)转录因子在硝酸盐抑制豆科植物根瘤形成中有着重要的作用。本文结合最近的研究进展,重点讨论NLPs转录因子和AON途径在硝酸盐抑制共生固氮过程的作用。     

动物的共生菌固氮

介绍了共生菌固氮涉及的动物和微生物类群、动物共生菌固氮的性质和机理。应用乙炔还原法和固氮酶基因检测等研究表明,所涉及的动物有7门13纲23目50科99属174种。动物肠道具有丰富的微生境,供不同生理需求的固氮菌生长发育,所蕴含的共生固氮菌类群也十分丰富,涵盖植物共生固氮菌、植物内生固氮菌、植物根际固氮菌、自生固氮菌等生态类型。一般认为动物共生固氮菌来源于环境,其性质属于联合共生固氮。动物共生固氮菌一般与其他共生生物形成复合体,以满足固氮过程中对电子和质子供体、能量供给、固氮酶活性保护以及氨阻遏解除等方面的需求。动物共生菌固氮产物氨的同化也需要多种共生物的协同作用,可能通过谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶等途径。总体上,食物氮、非蛋白氮和共生菌固氮相互协调,形成营养和解毒的代谢网络,共同维持动物体内氮素营养的动态平衡,并对未来研究提出展望。     

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。     

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。     

共生固氮微生物与农作物

固氮蓝细菌与满江红、苏铁共生,还与真菌、苔藓、裸子植物和被子植物某些种属建立共生固氮体系;此固氮蓝细菌是地球上最早的绿色自养原核生物,行光合作用和放氧;还具共生固氮(N2)功能。已从那些固氮微生物中获得固氮基因,若能通过某种分子载体转移到水稻、小麦等粮食作物体内而获得有效表达的话,那将会使那些转基因作物实现氮素营养自给,这将导农业生产一场革命,这是研究所关注的一个重要方面;     

外源质粒（基因）导入花生根瘤菌的行为分析

利用二亲本或三亲本杂交的方法,将携带有共生固氮基因的外源重组质粒或外源载体质粒导入慢生型花生根瘤菌［Ｂｒａｄｙｒｈｚｏｂｉｕｍｓｐ．（Ａｒａｃｈｉｓ）］１４７－３和快生型花生根瘤菌［Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍｓｐ．（Ａｒａｃｈｉｓ）］８５－７中。探讨了转移接合子中外源质粒在人工培养条件下和共生条件下的稳定性,发现外源质粒在花生根瘤菌中的稳定性与质粒的类型、受体菌的特性和环境条件有关。同时还探讨了外源质粒上的共生基因对受体菌１４７－３共生固氮效率的影响。结果表明,外源共生基因对共生固氮能力的影响是复杂的,既可以产生正效应,也可以产生负效应。     

非共生固氮菌及其固氮作用

生物固氮作用是生态系统中重要的氮素来源,参与固氮作用的微生物对植物的生长发育至关重要。与共生固氮微生物相比,非共生固氮微生物地域分布更广泛、种类更多,对全球生态系统中氮素循环有着重要意义。本文总结了非共生固氮菌的分类及系统发育,非共生固氮菌的群落构建过程和机制;归纳了不同生态系统(如草原、森林、海洋、农田等)、植物不同部位(如林冠、叶际、根际、根内、凋落物等)和土壤中非共生固氮菌的群落组成及固氮潜力的差异,以及影响非共生固氮菌群落组成和固氮潜力的主要因素(如气候因素、土壤理化性质、人为措施等);并整理了常用的研究非共生固氮菌及其固氮潜力的检测方法。     

豆科植物—根瘤菌共生固氮的基因调控和转移

豆科植物-根瘤菌共生固氮是由寄主与细菌双方基因共同参与完成的,在相互基因调控中形成特导的结构—根瘤。参与根瘤菌固氮(nif基因)和结瘤(nod基因)的基因已被克隆和分析。     

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。     

华癸中慢生根瘤菌7653R MCHK-3535基因在自生和与紫云英共生中的功能

【目的】探究Mesorhizobium huakuii 7653R MCHK-3535基因在共生固氮中的功能。【方法】构建MCHK-3535插入失活突变体、超表达和互补菌株,对其进行共生表型鉴定;并测定各菌株的生长曲线、运动性及生物膜形成;利用qRT-PCR方法和组织表达定位分析MCHK-3535在共生过程中的时空表达特征。【结果】与野生型7653R相比,突变体Δ3535达到稳定期的生物量增加,运动性下降,生物膜形成增加。此外,MCHK-3535基因的失活会显著提高紫云英固氮能力和植物地上部分鲜重,但不影响根瘤数量及重量;且互补菌株C3535能部分回补到野生型性状,超表达菌株OV3535均无显著性差异;qRT-PCR和启动子组织表达定位发现,MCHK-3535基因主要在根瘤的侵染区、过渡区及固氮区表达,并且表达持续整个固氮期。【结论】MCHK-3535基因在自生及与紫云英共生过程中发挥重要功能,参与根瘤的正常发育并负向调控固氮酶活性。     

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。     

固氮基因转移的研究进展

生物学家特别是微生物学家、生物化学家、分子遗传学家十分注视生物固氮和固氮基因转移问题。目标是。如何把原核生物系统的固氮基因转移到高等植物特别是粮食作物中去,使它们能自主地进行共生固氮作用。实现这个目标还不是眼前的事,有的科学家认为,需要10年左右的时间才能达到这一目标。美国哈佛大学(F.M.Ausubel)、Cornell大学(A.A.Szalay)等已成功地将固氮基因(来自土壤中能够固氮的Klebsiella)