中国两个生态区菜豆根瘤菌系统发育与群体结构研究

发布时间：2020-08-14 13:36

【摘要】：菜豆(Phaseolus vulgaris L.)是一种一年生草本植物,起源于美洲。因菜豆果实中蛋白质、纤维和碳水化合物含量丰富而被引种到世界各地,它可以通过与根瘤菌共生来获取氮素。中国南方和北方菜豆根瘤菌的多样性并未深入研究过,为了揭示中国两个生态区菜豆根瘤菌的多样性、生物地理分布以及群体结构,在中国北方(生态区I)和南方(生态区II)的9个样点(土壤pH值范围为8.06至4.97)分别采集菜豆根瘤,共分离得到226株根瘤菌。分析结果如下:1.16S rRNA基因和持家基因的系统发育分析结果显示,96.9%的根瘤菌属于Rhizobium属,包括四个已知种和四个未命名的基因型类群(四个已知种:R.leguminosarum、R.etli、R.phaseoli和R.vallis;四个未命名的基因型类群:Rhizobium sp.I、II、III和IV),而其余的根瘤菌被划分为五个Bradyrhizobium属的基因型类群,分别为B.diazoefficiens、Bradyrhizobium sp.I、II、III和IV。Rhizobium leguminosarum,Rhizobium etli和Rhizobium sp.II、IV是优势种,但在不同生态区的相对丰度不同。因此,来自中国不同生态区的菜豆根瘤菌存在丰富的多样性,并且有着独特的群落结构,表明在不同土壤pH和营养物质的环境下,菜豆与根瘤菌有着相互促进作用:引入菜豆植株可能对根瘤菌的进化有驱动作用,而根瘤菌则能帮助从美洲引入到中国的菜豆在新的环境中成功定殖。2.在所有Rhizobium属的基因型类群中,优势菌种R.etli的共生基因(nodC和nifH)与起源地R.etli的共生基因序列相似性非常高(≥98%),推断它们的共生基因可能是通过起源地R.etli共生基因的转移获得的。这些研究结果扩大了菜豆根瘤菌的多样性,阐明了这些根瘤菌的生物地理格局,并且表明了在宿主植物和土壤环境的共同选择下,会出现新的根瘤菌基因型类群,从而揭示根瘤菌可能的进化方式。3.生态区I和生态区II中的样地间土壤pH存在差异,Rhizobium etli种群在中国不同生态区有着独特的生物地理格局,并受到当地土壤pH值的影响。为了揭示R.etlilike菌株的遗传多样性、种群结构、pH值差异对它们的选择作用以及来自中国和原产地(墨西哥和哥伦比亚)R.etli的关系,利用与pH压力相关的八个基因作为分子标记。这些基因在不同的pH环境下表现出不同的单倍型多样性和核苷酸多样性。4.选择压力分析结果表明,除了碱性环境群体中的act R(D=2.15383,p0.05)、actS(D=2.30857,p0.05)和grpE(D=-1.94053,p0.05)受到自然选择的影响外,其余均符合中性进化模型。Fu and Li’s Fs为正值且显著,可以推断群体可能经历了瓶颈效应或超显性选择。actS基因和otsA基因的氨基酸序列中都检测到一个正向选择位点,分别为第218位的R和第180位的R,但是并不显著,说明其受到的正选择较弱。5.来自中国不同土壤pH环境下的R.etli及其近缘种群体之间的分化程度较高,且与从美洲分离得到的R.etli也有不同程度地分化。这些菌株的祖先群体能回溯到4个谱系,江口、沈阳、南昌、马祖岩、三江和于都这6个采样地都有不同比例的根瘤菌个体与原产地R.etli来源于共同的祖先群体,而来自储谭和大庆的根瘤菌的祖先群体完全不同于美洲个体的祖先群体。Mantel检验表明,在一定程度上R.etli群体间的分化受地理距离的影响,但并不是主要因素。这些研究结果进一步说明了从中国分离的R.etli随种子从美洲引入,且引入中国的菜豆可能来源于两个起源中心——墨西哥和哥伦比亚。同时也说明了R.etli的进化可能是由重组、地理距离、环境因子和宿主的选择作用共同驱动。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S643.1;Q939.114

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