武汉植物园在根瘤菌-豆科植物共生阶段的重要基因挖掘方面取得新进展

根瘤菌是一类广泛分布于土壤中的革兰氏阴性细菌，能与豆科植物形成高度转化的共生关系，侵染豆科植物根部形成根瘤，进而固定空气中的分子态氮形成能被植物利用的有机氮；同时，根瘤菌从宿主植物中获取所需的光合产物。根瘤菌每年固定的纯氮约为4000万吨，约占整个农业体系生物固氮总量的65%，研究根瘤菌-豆科植物共生固氮体系及机理对农业的可持续性发展至关重要。近年，得益于高通量DNA测序，大量根瘤菌的完整基因组得以迅速发表，但对关键基因的功能分析验证工作仍然滞后。

本研究运用Mariner转座子插入测序技术（INSeq）分析了根瘤菌-豆科植物共生过程中的连续生活方式阶段，首次明确了根瘤菌在根际生长、根系定殖、侵染根毛细胞、形成根瘤、分化成固氮类菌体和从根瘤中释放各个阶段的必需基因。虽然只有27个基因被注释为固氮基因（nif和fix），但研究人员发现有603个基因区域是豌豆结瘤和固氮过程中的必需基因。其中，146个基因为根际生长到类菌体发育阶段的必需基因，这些基因凸显了根际环境中的成功竞争对后期侵染及结瘤的重要性；此外，211个基因为结瘤和类菌体阶段的特异基因，主要为菌体运动、细胞膜重组、结瘤信号转导、固氮和代谢适应（包括尿素、赤藓糖醇和醛代谢、糖原合成、二元酸代谢和谷氨酰胺GlnII合成）等功能相关基因。研究结果强调了根瘤菌与宿主豆科植物共生的多个阶段竞争的重要性，为深入了解两者间互作机理奠定了理论基础。

相关成果以“Lifestyle adaptations of Rhizobium from rhizosphere to symbiosis”为题发表在国际学术期刊PNAS上（论文链接：https://www.pnas.org/content/early/2020/09/04/2009094117）。

英国牛津大学植物系Philip Poole教授团队及中国科学院植物种质创新与特色农业重点实验室、武汉植物园为论文共同完成单位，武汉植物园猕猴桃种质资源与育种学科组李黎副研究员为论文的共同第一作者。该研究得到国家公派留学基金项目资助。

图1 Rlv3841菌株与豆科植物共生不同阶段的必需基因