根瘤菌适应性进化过程中共生固氮能力丧失的分子机制研究

In order to provide sufficient nitrogen for windproof and sand stabilization legume Caragana in barren desert area, a key question is how to keep the strong environmental adaptation and high effectiveness of nitrogen-fixing symbiosis in the Long-term natural evolution process of rhizobia. The aim of this item is to explore molecular mechanism underlying the loss of nitrogen-fixing symbiosis disability in adaptive evolution of rhizobia. Genome re-sequencing, comparative genomics, transcriptomics will be used to find functional genes involved in alkali-resistant increase and nitrogen-fixing symbiosis disability for the offspring evolved from initial strain in stress condition for 500 generations. Biological function of evolved genes and existed epistasis will be analyzed genetically under genomic background of initial and evolved strains respectively.

为了使根瘤菌在贫瘠沙漠地区能有效地为防风固沙豆科植物锦鸡儿提供充足的氮素营养，一个重要的问题就是根瘤菌在长期自然进化过程中如何保持较强的环境适应性与高效的共生固氮能力。本项目以一株锦鸡儿属高效根瘤菌作为出发菌株，借助全基因组重测序、比较基因组学、转录组学等手段，研究胁迫介质下连续转接500代的进化菌株中分别参与耐碱性提高而结瘤、固氮能力丧失的相关基因，并针对重要目的基因在出发菌株、进化菌株两基因组背景下开展遗传学工作，分析目的基因生物学功能及存在的上位效应，进而揭示根瘤菌适应性进化过程中结瘤固氮能力丧失的分子机制。

锦鸡儿属植物是干旱、半干旱荒漠地区防风固沙、保持水土的良好豆科植物，根瘤菌的共生固氮作用可以为该植物生长提供充足的氮素。但关于沙漠地区分布的锦鸡儿属根瘤菌环境适应性进化过程至今没有系统性地研究过。鉴于此，本项目以高效共生固氮根瘤菌CCBAU 01603作为出发菌株，分别在碱胁迫及无胁迫环境下连续转接500代，以使其发生适应性进化并得到60株单克隆，再分析其适应性分子进化特点和在锦鸡儿上的共生特征变化情况。.项目深入分析了10株发生适应性进化的代表性菌株，发现这些进化菌株的盐、碱环境适应性增强，但结瘤固氮能力却出现了不同程度的下降或丧失。无胁迫环境中根瘤菌的长期进化会导致根瘤菌与植物共生时固氮活力下降，而盐碱胁迫环境中根瘤菌的长期进化则会导致根瘤菌与植物共生的固氮能力丧失，表明根瘤菌在不同环境中具有不同的进化方向，进而形成不同的多样性后代。进化菌株形成的根瘤中，类菌体的发育异常以及细胞内密度降低，是导致根瘤固氮效率下降的直接原因。进化菌株基因组上出现了很多相同的SNPs位点变化，这些基因主要参与代谢调控、大分子转运及四型分泌系统等过程，且很多基因表达水平也出现了显著差异性，然而，持家基因recA和结瘤基因nodC序列未发生适应性分子变化，说明根瘤菌环境适应性进化过程中变异基因具有一定的平行性，且结瘤、固氮系统十分复杂，具体的调控机制有待进一步研究与证实。