科技前沿 | 生物學院陳文新院士課題組根瘤菌研究新成果在ISMEJ發表

編者按

8月11日，微生物學頂級刊物之一The ISME Journal (國際微生物生態學會會刊，5年影響因子 11.630) 在線發表了生物學院陳文新院士課題組的研究論文「Adaptive evolution of rhizobial symbiotic compatibility mediated by co-evolved insertion sequences」。

根瘤菌在條件適宜的情況下可以誘導豆科植物形成根瘤，在侵染根瘤細胞后，分化為「類菌體」並固定空氣中的氮氣。這些被固定的氮素能夠替代化學氮肥促進豆科植物生長。這一共生固氮體系在減施化學氮肥，促進農業可持續發展，降低面源污染方面具有重要的生態學意義。根瘤菌和豆科植物的種質資源都具有極大的多樣性。在農業生產中，根瘤菌菌株和豆科作物品種的匹配性高低是影響共生固氮效率的決定性因素。科研人員推測這種共生匹配性的提高需要經歷長期且複雜的進化過程，但是關於匹配性的進化機制還知之甚少。

該圖由生物學院提供

在該項研究中: 部分快生型大豆根瘤菌 (Sinorhizobium) 雖然能夠和野生大豆有效共生固氮，但在一些商業大豆品種上只形成瘤狀突起，這些「假根瘤」並不能被根瘤菌所侵染; 將這些不匹配菌株的Tn5隨機插入突變體庫接種到商業大豆品種可以獲得能夠有效共生的突變株；反向遺傳學和基因組重測序證明T3SS (三型分泌系統) 的突變是該表型變化的遺傳基礎；但是這些突變主要是由基因組中ISs (插入序列) 的轉座插入而不是外源的Tn5所引起的；這種遺傳和表型上的變化也可以在實驗進化學研究中實現——利用商業大豆品種對匹配菌株的選擇壓力，從野生型不匹配菌株的自發突變體中也獲得了匹配克隆；這些起作用的ISs偏好低GC%的側翼序列並且在T3SS所在的共生質粒 (含有結瘤和固氮基因的複製子) 上富集。進一步結合比較基因組和轉錄組學證據，該項研究提出了「共進化的ISs」所介導的大豆根瘤菌共生匹配性的適應性進化規律。這一成果不僅對根瘤菌種質資源開發利用具有指導意義，也是新興的基因組生態學領域的重要研究進展。

論文通訊作者為生物學院田長富副教授，博士研究所趙然和劉立雪為論文的並列第一作者，大學部生陳意和熊竹清參與了部分實驗和數據分析。該研究得到「青年973」、國家自然科學基金和農業生物技術國家重點實驗室青年人才課題的資助。