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。     

根瘤菌与豆科植物之间的“分子对话”

根瘤菌是一类格兰氏阴性好气的异养型土壤细菌,它们能侵染豆科植物形成一种特殊的结构—根瘤,将大气中的氮气转化为植物可以直接利用的氨,即共生固氮作用。其在农业上的潜在应用价值推动了全世界范周内的科学家进行了一个多世纪的持续研究。目前,根瘤菌与豆种植物共生固氮体系是所有微生物与植物相互作用中了解得最为清楚的一个系统。 宿主专一性(host specificity)是这一共生固氦体系的一个非常重要的特征,即每一种根瘤菌(或菌株)都有一定的宿主范围,只能在一定数量的豆科植物上结瘤。研究表明,在共生体系形成的过程中,     

结瘤基因的表达调控

根瘤菌和豆科植物的共生体系一方面因为它的固氮效应在农业上有重要意义,另一方面因为它可以作为发育生物学的良好模型,所以得到了广泛的研究。通常情况下,一种根瘤菌只能在一种或几种豆科植物上结瘤;而一种豆科植物也只能接纳一种或几种根瘤菌。在根瘤菌方面,结瘤基因及其产物蛋白的活动是决定这种宿主特异性的主要因素。对于结瘤基因表达调控的深人认识将有助于实现人们梦寐以求的扩大根瘤菌宿主范围的愿望。通常所说的根瘤菌实际上包括四个属：（快生型）根瘤菌属（Anlzobium）、慢生型根瘤菌属（Bra41、rhico－bium）、固氮根瘤菌…     

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。     

禾谷类作物与微生物联合共生固氮作用的研究

生物固氮作用对农业生产的重要意义是众所周知的。近十年来,在生物固氮研究的各个方面都有许多重要的进展。细菌与植物联合固氮作用的发现,为非豆科植物扩大利用生物固氮的前景开辟了一条新的途径。联台固氮体系是介于自生固氮体系与共生固氮体系的中间类型。固氮细菌与相应联合的植物之间具有较密切的相互影响,但是它们又不像根瘤菌与豆科植物那样形成特异的共生构造一根瘤。这种固氮     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

载有苜蓿根瘤菌巨型质粒的豇豆根瘤菌侵染苜蓿根瘟的形态

生物固氮的过程是把大气氮素还原为氨,为植物生长提供有效的氮素营养。在共生固氮过程中,根瘤菌与豆科植物共生有着较为严格的宿主专性关系,如苜蓿根瘤菌只诱导苜蓿植物结瘤固氮,豌豆根瘤菌只诱导豌豆植物结瘤固氮。     

根瘤菌的结瘤基因与结瘤因子

根瘤菌的结瘤基因与结瘤因子郭先武（华中农业大学农业部农业微生物重点实验室武汉４３００７０）根瘤菌侵染豆科植物形成根瘤,并合成ＮＨ３供植物利用,其自身也在植物环境中得以有效延续。这就是根瘤菌与宿主植物的共生关系。形成共生关系的基因分成三类［７］,一类是...     

一株分离自裸子植物罗汉松根瘤的根瘤菌

根瘤菌与豆科植物共生结瘤固氮被认为是地球上最重要的生物固氮体系. 裸子植物罗汉松与根瘤菌共生结瘤至今未见报道. 采用常规根瘤菌分离技术从罗汉松及其变种小叶罗汉松根瘤中分离获得11株内生细菌, 将它们回接宿主可导致结瘤, 乙炔还原法测出微弱的固氮酶活性. 传统的生理生化鉴定方法和16S rDNA全序列分析证明该内生细菌代表菌株GXLO 02隶属于根瘤菌.     

细菌-植物联合固氮研究进展

生物固氮过程对农业生产的重要意义是众所周知的。工业固氮一年约提供4千万吨氮肥,而生物固氮则每年贡献约1亿吨。从生态学观点看,自然界存在三种固氮体系:自生固氮(如自生固氮菌),共生固氮(如根瘤菌和豆科植物共生)和联合固氮(如雀稗和雀稗固氮菌的联合)。本文只介绍联合固氮体系的研究进展。联合固氮体系是自生固氮和共生固氮体系的中间类型。固氮细菌与相应联合的植物之间具有较密切的     

苜蓿根瘤菌和羽扇豆根瘤菌的大质粒

根瘤菌在农业生产中有很重要的意义,但 由于其与豆科植物共生的复杂性,所以其遗传 学及固氮功能等重要课题的研究一直难以深 人。近几年来不少报道证明许多根瘤菌存在质 粒^[4,9,11-13]还有资料证明根瘤菌质粒带有共生 基因^[8,10]和至少一部分固氮基因^[2]。因此根瘤 菌质粒的研究在理论上和实践上都有重要意 义。迄今还未见国内有关根瘤菌质粒研究的报 道,本文将叙述我们筛选和分离根瘤菌质粒的 方法,并介绍得到的初步结果。     

1991年度生命科学重点项目简介

项目编号:39130201 项目名称:中国豆科植物根瘤菌资源、分类及应用基础研究在各类生物固氮体系中,根瘤菌与豆科植物共生固氮能力居于首位,我国豆科植物种类占世界3/4,根瘤菌种类繁多,特异性强。充分挖掘丰富的根瘤菌资源,选择固氮能力和抗逆性强的优良菌株,组建高效菌株与寄主的最佳组合,可更高地发挥根瘤菌的固氮作用,并为自然选种和遗传工程研究提供广茂的种质资源和基因材料。根瘤菌的分类系统很不完善,包括种类也有限。我国根瘤菌分类工作有较好的基础。在     

根瘤菌脂壳寡糖结瘤因子研究概况

共生固氮是根瘤菌与豆科植物相互作用的结果,它在农业上有重要意义。结瘤与固氮包括一系列复杂的生物学过程,它涉及微生物与植物间专一性识别、信息交换和基因协同表达等方面。近些年研究已经揭示出根瘤菌与豆科植物相互作用分子基础的基本框架。在根瘤的形成过程中,植物与根瘤菌之间首先进行信息交换,促使根瘤菌产生脂壳寡糖类物质。这类脂壳寡糖类物质能引起植物形成根瘤,因此被称为脂壳寡糖结瘤因子（Ｌｉｐｏｃｈｉｔｉｎｏｌｉｇｏｓａｃｃｈａｒｉｄｅｓ）或结瘤因子（ｎｏｄｆａｃｔｏｒｓ）［１］。脂壳寡糖结瘤因子的发现、结…     

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。     

生物固氮研究中的几个热点问题

氮素化肥在农业生产中一直发挥重要作用,为了发展持续生态农业,全世界的研究者都在进行着长期不懈的努力,不断优化和拓展生物固氮系统。介绍固氮研究中的4个热点问题：⑴联合固氮;⑵根际微生物量氮及微生物活度;⑶通过豆科植物凝集素基因转化扩大根瘤菌宿主范围;⑷结瘤固与“类根瘤”固氮。