豆料植物—根瘤菌共生固氮体系中的根瘤菌结瘤基因组(nod和hsn基因)和固氮基因组(nif和fix基因)及其功能

豆科植物一根瘤菌共生固氮在自然界中占有极其重要的地位.据估计,全球生物固氮量约为17500万吨,而现今工业上采用的Haber-Bosch法固定大气氮的无机氮量约为4500万吨,不及生物固氮量的三分之一.其中豆科植物一根瘤菌的共生固氮量为3500万吨,几乎可以与工业的无机氮相媲美(Burns和Hardy,1975).根瘤菌侵染豆科植物根而形成根瘤,由此产生了一种互通有无、共存共荣的固定空     

根瘤菌与豆科植物共生固氮的生化基础

根瘤菌在与其主植物共生过程中,具有形成根瘤和固定大气中游离氮的能力。全世界每年通过生物固氮大约可固定一亿七千五百万吨氮,而根瘤菌与豆科植物共生固氮的总量就达三千五百万吨。     

豆科植物根瘤的氨同化作用

根瘤菌能与豆科植物共生固定大气中的氮。根瘤菌专一地侵入豆科植物,引起根皮层细胞的分裂,形成根瘤。与此同时,根瘤菌细胞壁变薄,体积增大,形态显著改变,分化成类菌体。固氮酶由类菌体合成,根瘤中的类菌体是合成氨的场所。类菌体合成氨     

The Legume SHR-SCR Module Predetermines Nodule Founder Cell Identity

豆科植物-根瘤菌共生固氮是可持续性农业氮肥的最重要来源。根瘤作为豆科植物共生固氮的一种特化植物侧生器官, 提供了根瘤菌生物固氮必需的微环境, 是根瘤菌的安身之本, 因此, 根瘤的正常发育是实现豆科植物-根瘤菌共生固氮的结构基础。根瘤器官的从头发生主要起始于根瘤菌诱导的根皮层细胞分裂。通常认为豆科植物的根皮层具备有别于非豆科植物根皮层的某种特异属性, 从而响应根瘤菌并与之建立固氮共生, 但长期以来该属性决定的分子机制一直不明确。近日, 中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队以蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)等豆科植物和拟南芥(Arabidopsis thaliana)等非豆科植物为研究对象, 发现豆科植物中保守的SHR-SCR干细胞模块决定了其皮层细胞分裂潜能从而赋予根瘤器官发生的命运。该研究揭示了豆科植物根瘤发育的全新机制, 提供了研究和理解植物-根瘤菌固氮共生进化的重要线索, 对提高豆科作物固氮效率和非豆科作物固氮工程具有重要意义。     

豆科植物SHR-SCR模块——根瘤“奠基细胞”的命运推手

豆科植物-根瘤菌共生固氮是可持续性农业氮肥的最重要来源。根瘤作为豆科植物共生固氮的一种特化植物侧生器官, 提供了根瘤菌生物固氮必需的微环境, 是根瘤菌的安身之本, 因此, 根瘤的正常发育是实现豆科植物-根瘤菌共生固氮的结构基础。根瘤器官的从头发生主要起始于根瘤菌诱导的根皮层细胞分裂。通常认为豆科植物的根皮层具备有别于非豆科植物根皮层的某种特异属性, 从而响应根瘤菌并与之建立固氮共生, 但长期以来该属性决定的分子机制一直不明确。近日, 中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队以蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)等豆科植物和拟南芥(Arabidopsis thaliana)等非豆科植物为研究对象, 发现豆科植物中保守的SHR-SCR干细胞模块决定了其皮层细胞分裂潜能从而赋予根瘤器官发生的命运。该研究揭示了豆科植物根瘤发育的全新机制, 提供了研究和理解植物-根瘤菌固氮共生进化的重要线索, 对提高豆科作物固氮效率和非豆科作物固氮工程具有重要意义。     

能上树的小鱼

我们都知道,豆科植物的种子在土壤中萌发后,土壤中与该种豆科植物相适应的根瘤菌就在幼苗的根系附近大量繁殖,并且侵入到根内,形成根瘤,豆科植物与根瘤菌之间有一种共生关系,根瘤菌可以将空气中的氮转变为含氮的养料,供豆科植物利用。     

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。     

中国帕米尔高原根瘤菌-豆科植物共生资源调查

对帕米尔高原进行了根瘤菌——豆科植物共生资源的调查与收集,分析了根瘤的特征和根瘤菌的抗逆性。共采集到11属22种豆科植物,除菜豆、昆仑锦鸡儿、豇豆和白花草木樨等4种豆科植物未见结瘤外,其它豆科植物均能结瘤,其中帕米尔扁蓿豆、美丽棘豆、毛序棘豆、金毛脬萼黄芪等4种为新发现的结瘤豆科植物。共收集到8属18种豆科植物的根瘤样品250份,发现根瘤数量相对较少,颜色以白色或褐色为多,形状多样,多着生于主根、侧根的上部。通过对109株根瘤菌的抗逆性分析,获得一些具有耐低温和耐盐碱能力的优良菌株。     

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。     

高氮抑制豆科植物结瘤固氮机制研究进展

豆科植物通过与根瘤菌共生,形成根瘤并进行生物固氮。豆科植物的结瘤固氮作用在农业上具有减肥增效、改良土壤等重大意义。然而,高氮会抑制豆科植物结瘤固氮,形成"氮阻遏"效应。着重论述了高氮抑制豆科植物结瘤的分子机制,包括氮素通过结瘤自调控AON(Autoregulation of nodulation)信号、NLP(NIN-like protein)转录因子、植物激素信号等途径抑制根瘤数目和发育的最新进展;并探讨了高氮抑制根瘤固氮活性的假说及争议,包括亚硝酸盐毒性和碳饥饿等,以期为提高豆科植物应对"氮阻遏"效应提供理论基础。     

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     

转座子Tn5-Mob对菜豆根瘤菌共生基因的诱变、转移和初步定位

转座子Tn5-Mob在质粒RP4-4配合下能诱动(Mobilization)菜豆根瘤菌RCR3622内源质粒的诱动转移。在种间根瘤菌杂交过程中,二个巨型质粒的转移频率均大于10~(-3);分子量约为285kb的psym3622是带有结瘤(nod)和产黑素(mel)基因的共生质粒(Symbiotic plasmid);这二个基因的最大距离不超过70kb左右。另一个分子量约为135kb的质粒在试验中为不具结瘤功能的隐蔽质粒。将psym3622共生质粒导入不结瘤(Nod-)的豌豆根瘤菌菌株B151,能够使后者在菜豆植物上表达结瘤的特性,形成无效根瘤。将psym3622共生质粒导入不结瘤的菜豆根瘤菌菌株JI8400,能够在菜豆植物上形成正常发育的有效根瘤。     

大豆根瘤菌突变株(str~r)胞外多糖组分比较

农作物所需要的氮素营养,一部分来自肥料,而另一部分则必需从土壤所保存的氮素和生物固定大气中的氮来满足。在生物固氮体系中,共生固氮体系尤其引人注目。根瘤菌属的成员能感染相应的豆科植物,形成根瘤,并在根瘤内进行共生固     

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。     

桂西北喀斯特常见豆科植物根瘤菌的遗传多样性

调查了桂西北喀斯特24种常见豆科植物的结瘤情况及特征,并从15种宿主植物上获得39份根瘤样品,提取根瘤基因组DNA,扩增16S rDNA和nifH基因,构建系统发育树,对根瘤菌遗传多样性进行了研究.结果表明: 有15种豆科植物是结瘤的,其中14种为蝶形花亚科,1种为含羞草亚科,而云实亚科未发现结瘤.一些本应结瘤的植物未发现根瘤,可能与喀斯特土壤的保水性差有关.BLAST和系统发育分析结果均显示,来源于多种豆科植物的根瘤菌均归属于慢生根瘤菌属,仅有2个亮叶崖豆藤样品的根瘤菌归属于中慢生根瘤菌属.在系统发育树上,来源于同一地点或同一宿主植物的根瘤序列均表现出一定的聚集性,说明共生根瘤菌的种类可能受宿主植物及所处生态环境的共同影响.     

根瘤菌多相分类的研究进展

根瘤菌可以入侵豆科植物形成根瘤或茎瘤,并可固定空气中的氮为其宿主植物提供必需的氮素营养。根瘤菌的分类系统可分为早期根瘤菌的分类系统和现代根瘤菌的分类系统两个阶段。根瘤菌的多相分类技术包括表型的分群方法和遗传型的分群方法两大类。     

Rpfan37在刺槐共生结瘤过程中的功能探究

目的:研究刺槐中与磷脂酰肌醇转运蛋白有较高同源性的基因Rpfan37的功能,为探究相关基因参与豆科植物与根瘤菌共生结瘤过程提供新的思路。方法:通过前期研究,建立豆科植物刺槐与共生根瘤菌互作的抑制差减杂交反交文库,筛选疑似与共生结瘤相关的基因。利用PCR技术快速克隆经实时荧光定量PCR技术(qRT-PCR)分析基因在不同接菌时间及不同植物组织的表达。构建RNA干扰(RNAi)重组载体,转农杆菌介导转化植物根部,接种根瘤菌后验证该基因在刺槐共生结瘤过程的功能。结果:基因表达分析显示,在接菌与未接菌的刺槐根中,处理后第15天,Rpfan37表达均显著上调,但接菌与未接菌处理对该基因表达无显著影响;在成熟的根瘤中,该基因仅为低水平表达。RNAi转化植株的鲜重、株高、根长及结瘤数较对照组显著降低。在显微镜下观察到RNAi植株根毛发育异常;与对照相比,RNAi转化植株形成的根毛卷曲、根毛侵染线及根瘤原基数目均显著降低。根瘤石蜡切片结果显示RNAi植株根瘤中的侵染细胞与对照相比明显减少,分析豆血红蛋白表达发现,RNAi植株中根瘤发育成熟过程明显受阻。结论:在豆科植物刺槐中发现的相关基因Rpfan37能够参与刺槐共生结瘤过程,为研究磷脂酰肌醇转运蛋白在共生结瘤过程中的作用提供了新的理论基础。     

豆科植物-根瘤菌共生固氮的免疫调控机制

在长期进化中,根瘤菌与豆科植物形成一种独特的互惠共生关系——共生固氮。根瘤菌-豆科植物共生互作与病原细菌激发植物病原反应极为相似,然而根瘤菌的入侵和定殖并没有激发宿主豆科植物过度的防御反应,植物也进化出特殊的共生信号转导和根瘤发育途径来"邀请"根瘤菌的入侵和定殖。此外,植物防御反应也很大程度上调控根瘤菌与豆科植物共生的宿主特异性。越来越多的研究表明,植物防御反应在调控根瘤菌匹配识别、入侵、定殖以及类菌体发育等方面起关键调控作用。从植物免疫反应角度综述了根瘤菌与豆科植物共生互作的最新进展,通过与病原菌-植物互作的病原反应对比,论述了根瘤中植物感知微生物相关分子模式(MAMP,Microbe-Associated Molecular Patterns)和效应蛋白引起的免疫反应的调控机制。     

大豆豆血红蛋白基因的时空特异性表达

豆血红蛋白(Lb)是根瘤菌与豆科植物有效共生的根瘤中的一种组织特异性蛋白。与动物血红蛋白性质相似,Lb调节根瘤中游离O_2的浓度以保护类菌体产生的、易受O_2破坏的固氮酶。豆血红蛋白由植物基因编码。已发现大豆根瘤中有八个Lb组分,四个次要组分是四个主要组分的修饰产物。     

菜豆根瘤菌sym和mel基因在农杆菌中的转移和表达

豆根瘤菌(Rhizobium phaseoli)共生质粒pSYM3622具有诱导宿主植物(phaseolusvulgaris cv."Jamapa")结瘤固氮的有效基因,以及菜豆根瘤菌特征性的产黑素基因(Melanin production gene)。在诱动因子RP4的存在下,共生质粒能够有效地向三叶草根瘤菌和农杆菌转移。种间和属间杂交子都能诱导菜豆植物形成无效根瘤,并且具备在特定培养基上产生黑素的能力。pSYM3622在三叶草根瘤菌菌株RCR226中具有明显的不亲和性,但是在农杆菌杂交子中,这些结癌和产生黑素的特征在植物根瘤分离菌中能够稳定地保持下去。试验同时研究了pSYM3622向假单胞菌和大肠杆菌的诱动转移。