关键无机磷转运系统在非终端分化类菌体中的功能研究

发布时间：2020-04-16 20:35

【摘要】：根瘤菌可以与豆科植物建立互利互惠的共生关系来实现生物固氮。根瘤菌通过植物制造的侵染线进入并定殖根瘤/茎瘤,在根瘤/茎瘤中根瘤菌发育并分化成为可以固氮的类菌体。豆科植物根瘤中氮的固定涉及植物和类菌体之间复杂的营养交换。从最简单的角度来看,这种共生关系通常被视为植物光合作用固定的碳和根瘤菌固氮作用还原的氮之间的交换。然而高效的共生固氮还涉及许多其他营养元素的平衡交互,其中对于共生至关重要的营养元素之一是磷。无机磷酸盐或其他磷源的运输对于所有生物的生长必不可少,并且磷酸盐稳态在包括细菌在内的所有生物体中都受到严格调控,细菌的该调控过程依赖于磷酸盐水平波动条件下高亲和与低亲和无机磷酸盐转运蛋白的差异表达。之前有研究认为,栖息于豆科植物根瘤中的类菌体处于富磷环境之中。但本论文的研究结果表明:高亲和的无机磷酸盐转运系统PstSCAB是根瘤菌Sinorhizobium fredii CCBAU45436(简称SF45436)与大豆宿主进行有效的共生固氮必不可少的,而低亲和的OrfA-Pit系统则是非必需的。并且orfA-pit的表达受PhoB负调节,而pstSCAB基因的表达依赖于PhoB。通过敲除pit的转录抑制因子PhoB,可以有效地恢复pst突变体的共生缺陷。这些结果证明SF45436类菌体在大豆根瘤中处在低磷胁迫环境之中,这与根瘤菌在苜蓿根瘤中处于富磷环境的认识截然不同。本论文的进一步研究证明:代表性根瘤菌的pst同源基因在大豆、木豆、豇豆、菜豆和苦参等豆科植物根瘤内非终端分化的类菌体中活跃转录,但在苜蓿、豌豆和花生根瘤内终端分化的类菌体中仅有较低水平的表达。根瘤菌Rhizobium leguminosarum bv.viciae Rlv3841(简称Rlv3841)可以在苦参和豌豆的根瘤中分别经历典型的非终端和终端分化。在苦参根瘤环境中Rlv3841的pst突变体表现为适应性受损,但Rlv3841 pst突变体与豌豆共生时的表型与野生型菌株相比无显著差异。综上所述,根瘤中根瘤菌生长代谢是磷酸盐限制性或非限制性与根瘤菌是否进行终端分化相关,而类菌体的分化具有宿主依赖性特征。这些发现对于进一步研究终端及非终端两种类型类菌体的分化代谢差异机制和不同豆科植物-根瘤菌共生固氮体系对低磷胁迫条件的差异适应机制具有重要意义。了解类菌体获得磷的多样化机制,可以为选育共生能力和低磷适应能力强的根瘤菌提供更多有效信息。
【图文】：

根毛,结瘤因子,侵染,裂缝

图１－１裂缝侵染和根毛侵染（Ｄｅａｋｉｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００９）逡逑：ａ．裂缝侵染方式，不依靠根毛，不严格依赖或完全不需要结瘤因子；ｂ．根毛侵染方式，严于结瘤因子。逡逑根瘤菌是固氮的细菌，细菌与古菌域和真核生物域一起，源自３７亿年前由岩石冷却所产生的原始细胞，，即所谓的始祖生物（Ｗｏｅｓｅ，２００２）。固氮能力在古菌中普遍分布，说明它是一个古老的生物特征（Ｒａｙｍｏｎｄ邋ｅｔａｌ．，邋２００４）。在初期

根瘤菌,根毛,根瘤,根系分泌物

中国农业大学博士学位论文逦第一章绪论逡逑的信号转导途径及随后结瘤相关基因的表达（Ｓｉｎｇｈ邋ｅｔａｌ．，邋２０１４）。进一步引发根毛端逡逑肌丝蛋白变化和细胞骨架重排，导致根毛卷曲，将根瘤菌包裹其中（Ｊｏｎｅｓ邋ｅｔａｌ．，邋２００７）。逡逑同时，结瘤因子还诱导内皮层休眠细胞去分化成为活跃的分裂细胞，即“根瘤原基”，逡逑随后逐步发育为成熟的根瘤（Ｔｉｍｍｅｒｓ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９９９；邋Ｇａｇｅ，邋２００４）。逡逑ａ邋Ｒｈｉｚｏｂｉａ邋ａｔｔｒａｃｔｅｄ邋ｂｃｈｅｍｏａｔｔｒａｃｔａｎｔｓ逦ｂ邋Ｆｌａｖｏｎｏｉｄ邋ｒｅｃｏｎｉｔｉｏｎ邋ａｎｄ逡逑
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q948.122.3

【参考文献】