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根瘤菌可以侵染豆科植物的根部形成根瘤,从而起始生物固氮过程。它们的互惠共生在生命的历史长河中起着非常重要的作用,但是对于它们匹配性的进化过程认识还不够。在前期研究中,选取从黄淮海和新疆地区分离的9株Sinorhizobium代表菌株,与商业大豆(JD17和C08)及野生大豆(W05和WSD)进行接种试验,结果显示9株菌均可以与野生大豆形成正常形态根瘤,Sinorhizobium fredii CCBAU45436和CCBAU05557与商业大豆结正常形态的根瘤,而其余7株菌则只能形成不正常形态根瘤。本论文针对与商业大豆品种共生匹配性差的代表性菌株S.fredii CCBAU25509和CCBAU83666分别构建了库容约40和70万的Tn5随机插入突变体库。将突变体接种JD17后,分别获得了 14和238个有效固氮根瘤,鉴定了其中105株根瘤分离物的插入位点。经反向遗传学验证,发现只有在三型分泌系统(T3SS)编码区域的突变才能提高供试菌株与JD17的共生匹配性,而Tn5插入导致的其他基因的突变并不能使突变体与JD17有效结瘤。通过对其中13株代表菌株的基因组重测序分析,发现这些菌株都在T3SS编码区域发生了非外源Tn5序列的插入突变。这些结果暗示供试菌株有可能不需要人为改造即可在JD17的选择压力下获得共生匹配能力的适应性进化。为了检验上述假设,将CCBAU25509和CCBAU83666野生型菌株培养物接种200株JD17植株,两次独立实验共获得了 50个能形成有效固氮根瘤的克隆,其中44株经回接得到验证。对其中的12株代表菌株重测序,发现所有菌株都在T3SS编码区域发生了插入突变。说明在宿主选择压力下,T3SS编码基因的自发突变是两株供试菌株与JD17共生匹配能力提高的关键机制。进一步对 CCBAU25509、CCBAU83666 以及Sinorhizobiumsp. Ⅲ CCBAU05631 (本课题组同期获得)的进化克隆基因组序列进行分析发现:上述适应性进化主要是由根瘤菌自身的多种插入序列(ISs)转座到T3SS编码区域所介导的。针对代表菌株CCBAU25509进化克隆的PCR验证,发现进化克隆中的转座现象都是复制型转座——起作用的ISs拷贝数增加。比较基因组学分析进一步表明:起作用的高拷贝ISs分布在多个复制子并在共生质粒上高度富集;与其他ISs相比,它们在与大豆共生的Sinorhizobium菌株泛基因组中分布也更广。而且,起作用的ISs偏好低GC含量的靶序列,这与T3SS位于共生质粒的特征相一致,而不同ISs本身序列的GC含量并没有明显差异。从基因组生态学的角度看,这些起作用的ISs与宿主共进化,为其宿主提供适应性功能的同时,增加了其自身群体的大小。针对上述三株菌以及一株未能在同样实验条件下获得适应性进化的菌株S.sojae CCBAU05684,进行了比较转录组学分析,发现供试菌株的进化潜能可以部分地由在测试条件下能够活跃转录的ISs数目来解释。同时,我们还发现一个在三株菌的适应性进化中都起作用的高拷贝IS的负义链转录可以被来自大豆根部分泌的典型的共生信号类黄酮所诱导,而不被玉米和小麦的根部粗提物所诱导。这些结果说明细菌本身的IS,包括可能受植物共生信号调控的IS,在根瘤菌共生匹配能力的进化中起着非常重要的作用。