硫化氢信号分子在大豆-根瘤菌共生固氮体系中的调控作用及其机制研究

发布时间：2020-11-03 23:28

　　 豆科植物不仅种类繁多而且分布广泛,由于绝大多数豆科植物可以与土壤中的根瘤菌形成互利共生的关系,并且通过共生固氮满足自身对于氮素营养的大部分需求。Sinorhizobium fredii Q8菌株是从陕西省杨凌区农田土壤中分离得到的一株根瘤菌,与西北地区广泛种植的大豆中黄13品种具有优良的结瘤和固氮性能。本文以S.fredii Q8以及大豆中黄13品种为主要研究材料,通过转录组、基因敲除及互补,结合荧光探针观察等方法研究H_2S信号分子及其代谢酶在S.fredii Q8与大豆植株结瘤和固氮过程中的作用及其发挥作用的机制。首先,使用NaHS作为外源H_2S供体处理大豆植株后,植株根部以及根瘤内的H_2S含量有了较为明显的增加。同时在接种根瘤菌S.fredii Q8之后,大豆植株在经过NaHS处理之后植株的长势有了显著的提高,根长、株高、地上部分以及根部的干重都有了显著增加。光合作用速率以及叶绿素荧光参数的测量表明,经过NaHS处理的植株叶片中,叶绿素含量以及净光合速率都高于对照组植株。在共生能力方面,经过外源H_2S处理的大豆植株的结瘤数量也显著高于对照组植株。不仅如此,外源H_2S处理还促进了大豆根瘤的固氮能力,固氮酶活性测定结果显示经过NaHS处理的大豆植株所结根瘤内部的固氮酶活性要显著高于未处理的对照组根瘤。而qRT-PCR分析发现,外源H_2S处理可以促进共生相关基因如根瘤菌nodA、nodC、nodD以及大豆根部GmENOD40、GmERN、GmNSP2b、GmNIN1a/2a/2b的表达。此外,与氮代谢相关的GmGOGAT、GmAS、GmNiR、GmSAT1、GmLb等基因的表达量也在经过NaHS处理的植株根部有所上调。这些结果说明外源H_2S处理可以促进S.fredii Q8与大豆植株的共生与结瘤,并且对大豆根瘤的固氮能力具有促进作用。由于固氮作用的提升,大豆植株的氮素供应较为充足,这也促进了叶绿素的合成以及光合作用的进行,从而提高了大豆植株的碳同化能力,最终使得大豆植株的长势得到促进。其次,通过H_2S特异性荧光探针观察后发现,在大豆根瘤的固氮区有大量内源H_2S产生。将S.fredii Q8编码cystathionineγ-lyase(CSE)的CSE基因敲除之后,?CSE突变体根瘤菌内源H_2S的产量显著降低,并且用?CSE菌株接种大豆植株形成的根瘤内部H_2S的产生也受到了明显的抑制。在接种?CSE菌株的大豆根瘤中,不仅内源H_2S含量较低,固氮酶活性也显著低于接种野生型菌株WT以及互补菌株Cp?CSE所形成的根瘤。透射电镜的观察发现,虽然?CSE根瘤的外部形态和大小与WT菌株所结根瘤没有显著差异,但是固氮区根瘤细胞内类菌体以及共生体膜的形态都发生了与氧化胁迫条件下相似的变化。不仅如此,内源H_2S的不足还会导致根瘤中过氧化氢等活性氧分子(ROS)的积累和氧化损伤的出现。与此同时,H_2S含量降低也促进编码抗氧化酶基因的表达以及酶活性的增加。这些结果说明,大豆根瘤的内源H_2S可以通过其抗氧化作用维持大豆根瘤内的固氮酶活性,促进大豆的共生固氮作用。最后,根瘤菌的3-mercaptopyruvate sulfurtransferase(3MST)对于S.fredii Q8对大豆中黄13品种的侵染能力也具有很显著的影响。将编码3MST的sseA基因敲除之后,?3MST菌株与大豆中黄13植株共生所形成的根瘤虽然数量明显增加,但都是豆血红蛋白含量极低而且几乎没有固氮能力的无效根瘤。石蜡切片和透射电镜观察根瘤的显微结构以及超微结构发现,?3MST菌株在根瘤细胞内的侵染和定殖能力受到了破坏,类菌体数量极少而且形态出现了明显的畸形。同时,3MST的缺失还会抑制S.fredii Q8 III型分泌系统与结瘤相关的效应蛋白NopX的分泌。通过转录组分析发现,在接种?3MST菌株后1h与3h内差异表达基因较多。通过KEGG通路富集分析发现,接种?3MST菌株与接种WT菌株对植物的与病原物互作通路中的基因的表达影响最为显著。通过qRT-PCR实验发现,在接种WT菌株后1 h,大豆植株根部的与病原物相关的防御基因的表达会被抑制,而在接种?3MST菌株的大豆中,这些与病原物防御反应相关的基因的表达不仅没有受到明显的抑制,少数防御基因的表达量还会出现上调的情况。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S565.1
【部分图文】：

根瘤的类型是由豆科宿主本身所决定的。定型根层细胞起始分裂的位置、根瘤内分生组织的存在nd Gresshoff, 1988; Newcomb et al., 1979)。不定细胞，随后中柱鞘以及皮层外层的细胞才开始定型根瘤中会一直存在分生区，可以不断分裂产导致了不定型根瘤的性状通常为棒状(Bond, 1al., 1979)。成熟之后的不定型根瘤，由于分生组在根瘤内部产生四个不同的分区：分生区、侵染瘤中的维管束的分支相比于定型根瘤也相对较分生组织，根瘤的外形为圆形，内部也没有形成n and Bauer, 1982)。初始的细胞分裂位置在接近l., 2010)。成熟之后的定型根瘤内部的侵染细胞以育和衰老，这也就导致了定型根瘤的寿命只有短有新的根瘤产生来代替衰老的根瘤(B G Rolfe的产生过程示意图见图 1-1.

为与调控结瘤数量有关。比如 LjKLAVIER 基因就可以调节百脉根的结a-Kira E, 2010)。LjASTRAY 基因通常被认为与百脉根植株的光调节有关imura R (2002)发现这个基因在缺失突变之后，百脉根植株的结瘤数也会增truncatula 中，MtEFD 是 MtERF 的转录调节因子，当 MtEFD 基因发生突变植株会表现出结瘤数增加的性状(Vernie et al., 2008)。这些基因对于结瘤数定的负调节作用，但是其作用机制是直接参与 AON 途径或者通过其他途径数量尚不清楚。乙烯作为一种植物激素，不仅可以促进果实的成熟和花的衰老(G H Kraus, 2003),还可以在豆科植物中控制结瘤的数量(Ferguson and Mathesius, 2003;Geil, 2002)。在遭遇逆境胁迫条件下，植株自身往往会产生大量的乙烯，这通过降低结瘤的数量来避免植物在不利的生长环境中将过多的能量和碳源进行共生固氮。当植物的乙烯受体发生功能的缺失时植株会出现结瘤数量。比如当百脉根的乙烯受体 LjETR1 和 LjEIN2 被敲除之后，突变体的结瘤(Lohar et al., 2009)。当蒺藜苜蓿的乙烯受体 MtEIN2 基因发生突变后，突变同样出现了增加的现象(Varma Penmetsa et al., 2008)。

氢（H2S）信号在植物中的研究进展氨基酸如半胱氨酸和蛋氨酸的重要组成成分，以及辅因子、多的重要元素，对所有生物都是必不可少的。植物作为同化者，同化方式将氧化硫酸盐形式的无机硫还原成有机态的硫供自kahashi et al., 2010)。因此，植物利用硫的第一步是通过硫酸盐盐。一旦进入表皮，绝大多数的硫酸盐会通过细胞间的胞间连管束中向外运输以避免硫酸盐的积累，也会有部分的硫酸盐透。一旦进入细胞质中，硫酸盐或者储存在细胞的液泡中，或者Takahashi, 2015; Takahashi et al., 2010)。利用 ATP 水解释放的能活化形成腺苷 5 -磷酸硫酸盐（APS）。该反应由 ATP 硫酰化物中，所形成的的 APS 可以通过 APS 还原酶（APR）直接被硫酸盐进一步被氧还蛋白依赖型的亚硫酸盐还原酶（SiR）还被合称为乙酰丝氨酸（OAS）并最终参与半胱氨酸的合成。这酸盐通过还原同化进入植物初级代谢的途径，见图（1-3）。

本文编号：2869255