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Nature子刊:中国农大陈文新院士课题组发表根瘤菌研究新成果

摘要 : 2017年8月11日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊、著名微生物学期刊《The ISME Journal》杂志在线发表了中国农业大学生物学院陈文新院士课题组的研究论文

2017年8月11日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊、著名微生物学期刊《The ISME Journal》杂志在线发表了中国农业大学生物学院陈文新院士课题组的研究论文,论文题为“Adaptive evolution of rhizobial symbiotic compatibility mediated by co-evolved insertion sequences”。博士研究生赵然和刘立雪为论文的并列第一作者,论文通讯作者为生物学院田长富副教授。

根瘤菌在条件适宜的情况下可以诱导豆科植物形成根瘤,在侵染根瘤细胞后,分化为“类菌体”并固定空气中的氮气。这些被固定的氮素能够替代化学氮肥促进豆科植物生长。这一共生固氮体系在减施化学氮肥,促进农业可持续发展,降低面源污染方面具有重要的生态学意义。根瘤菌和豆科植物的种质资源都具有极大的多样性。在农业生产中,根瘤菌菌株和豆科作物品种的匹配性高低是影响共生固氮效率的决定性因素。科研人员推测这种共生匹配性的提高需要经历长期且复杂的进化过程,但是关于匹配性的进化机制还知之甚少。

在该项研究中: 部分快生型大豆根瘤菌 (Sinorhizobium) 虽然能够和野生大豆有效共生固氮,但在一些商业大豆品种上只形成瘤状突起,这些“假根瘤”并不能被根瘤菌所侵染; 将这些不匹配菌株的Tn5随机插入突变体库接种到商业大豆品种可以获得能够有效共生的突变株;反向遗传学和基因组重测序证明T3SS (三型分泌系统) 的突变是该表型变化的遗传基础;但是这些突变主要是由基因组中ISs (插入序列) 的转座插入而不是外源的Tn5所引起的;这种遗传和表型上的变化也可以在实验进化学研究中实现——利用商业大豆品种对匹配菌株的选择压力,从野生型不匹配菌株的自发突变体中也获得了匹配克隆;这些起作用的ISs偏好低GC%的侧翼序列并且在T3SS所在的共生质粒 (含有结瘤和固氮基因的复制子) 上富集。进一步结合比较基因组和转录组学证据,该项研究提出了“共进化的ISs”所介导的大豆根瘤菌共生匹配性的适应性进化规律。这一成果不仅对根瘤菌种质资源开发利用具有指导意义,也是新兴的基因组生态学领域的重要研究进展。

原文链接:

Adaptive evolution of rhizobial symbiotic compatibility mediated by co-evolved insertion sequences

原文摘要:

Mutualism between bacteria and eukaryotes has essential roles in the history of life, but the evolution of their compatibility is poorly understood. Here we show that different Sinorhizobium strains can form either nitrogen-fixing nodules or uninfected pseudonodules on certain cultivated soybeans, while being all effective microsymbionts of some wild soybeans. However, a few well-infected nodules can be found on a commercial soybean using inocula containing a mixed pool of Tn5 insertion mutants derived from an incompatible strain. Reverse genetics and genome sequencing of compatible mutants demonstrated that inactivation of T3SS (type three secretion system) accounted for this phenotypic change. These mutations in the T3SS gene cluster were dominated by parallel transpositions of insertion sequences (ISs) other than the introduced Tn5. This genetic and phenotypic change can also be achieved in an experimental evolution scenario on a laboratory time scale using incompatible wild-type strains as inocula. The ISs acting in the adaptive evolution of Sinorhizobium strains exhibit broader phyletic and replicon distributions than other ISs, and prefer target sequences of low GC% content, a characteristic feature of symbiosis plasmid wher T3SS genes are located. These findings suggest an important role of co-evolved ISs in the adaptive evolution of rhizobial compatibility.

来源: The ISME Journal 浏览次数:0

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