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豆科植物-微生物共生固氮研究进展

植物生理学报 2023年第8期59卷 1407-1435页

作者：杨军刘承武李霞田长富谢芳曹扬荣王二涛中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所上海200032 中国科学技术大学生命科学与医学部合肥230027 华中农业大学植物科学技术学院武汉430070 中国农业大学生物学院北京100193 华中农业大学生命科学技术学院武汉430070

与大多数陆地植物不同,豆科植物可以与根瘤菌共生互作形成根瘤。在根瘤中,根瘤菌将空气中的氮气还原为植物可直接利用的含氮化合物。根瘤固氮对豆科植物获得氮素以及维持土壤氮循环至关重要。根瘤共生固氮涉及一系列复杂的信号交流,从... 详细信息

与大多数陆地植物不同,豆科植物可以与根瘤菌共生互作形成根瘤。在根瘤中,根瘤菌将空气中的氮气还原为植物可直接利用的含氮化合物。根瘤固氮对豆科植物获得氮素以及维持土壤氮循环至关重要。根瘤共生固氮涉及一系列复杂的信号交流,从而保证根瘤菌成功侵染形成根瘤。本文主要总结了近10年来在植物-根瘤菌共生信号识别和转导,以及侵染线形成和根瘤发育调控等方面所取得的主要进展,并展望了根瘤共生研究领域的研究热点和研究前景,为高效利用豆科植物共生固氮体和遗传改造非豆科作物共生固氮提供理论依据。

关键词：共生固氮侵染线植物激素免疫调控机制

大豆PIN-Like(PILS)基因家族的鉴定、表达分析及在根瘤共生固氮过程中的功能

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作物学报 2022年第2期48卷 353-366页

作者：董衍坤黄定全高震陈栩福建农林大学资源与环境学院福建福州350002 福建农林大学海峡联合研究院园艺植物生物学及代谢组学研究中心福建福州350002

植物激素生长素在植物的生长发育过程中发挥了至关重要的作用,它的稳态和浓度梯度建立控制了几乎所有器官的极性建成。生长素在特定细胞中合成、运输、感知以及代谢降解建立了符合器官发育的生长素浓度梯度。在豆科植物中,根与土壤微生... 详细信息

植物激素生长素在植物的生长发育过程中发挥了至关重要的作用,它的稳态和浓度梯度建立控制了几乎所有器官的极性建成。生长素在特定细胞中合成、运输、感知以及代谢降解建立了符合器官发育的生长素浓度梯度。在豆科植物中,根与土壤微生物互作形成了根瘤这一特殊的器官,进行生物固氮。然而,生长素稳态控制生物固氮的功能还未知。拟南芥中的研究表明,PIN-Like (PILS)蛋白协助调节的细胞内生长素稳态,并介导下游细胞核内的生长素信号传递。本研究以大豆作为研究模型,在大豆基因组中鉴定获得19个PILS家族基因(GmPILS),不均匀分布于大豆10条染色体上。GmPILS在大豆9种组织部位中表现出多种表达模式,且具有明显的组织表达特异性。GmPILS1e和GmPILS1f在根瘤菌体区域富集表达,使用人工微RNA沉默(artificialmicro RNA interference,amiRNAi)下调GmPILS1e和GmPILS1f在根瘤的表达,导致根瘤的固氮酶活性上升,而过量表达GmPILS1f导致根瘤的固氮酶活性下降,因此GmPILS1e和GmPILS1f可能参与大豆固氮酶活性的调节。这些结果为进一步解析大豆GmPILS家族基因的功能和作用机制奠定了基础,同时也为结瘤固氮在农业育种中的应用提供了有价值的基因资源。

关键词：大豆 PIN-Like(PILS)基因家族根瘤共生固氮

MCHK_7135基因在华癸中慢生根瘤菌共生固氮中的功能

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华中农业大学学报 2023年第2期42卷 123-130页

作者：胡珍珍谢华伦彭杰丽李友国陈大松华中农业大学生命科学技术学院武汉430070 湖北省植物保护总站武汉430070

为研究MCHK_7135基因在根瘤菌与宿主植物共生固氮中的功能,用同源重组的方法构建了MCHK_7135基因的突变体及回补菌株,对突变菌株和回补菌株在人工培养条件以及与宿主植物紫云英共生下的各项表型进行了考察,结果显示:与野生型菌株相比,... 详细信息

为研究MCHK_7135基因在根瘤菌与宿主植物共生固氮中的功能,用同源重组的方法构建了MCHK_7135基因的突变体及回补菌株,对突变菌株和回补菌株在人工培养条件以及与宿主植物紫云英共生下的各项表型进行了考察,结果显示:与野生型菌株相比,突变菌株对氧胁迫的敏感性增强;接种突变株的紫云英长势矮小,侵染线及根瘤原基数目减少,根瘤数量少,固氮酶活性低,而向突变菌株导入完整MCHK_7135基因后,各项共生表型得到不同程度恢复。研究结果表明,华癸中慢生根瘤菌的过氧化物还原酶基因MCHK_7135基因在根瘤菌与宿主植物共生固氮的过程中具有重要功能。

关键词：根瘤菌共生固氮过氧化物还原酶紫云英同源双交换突变体

禾本科/豆科间作促进豆科共生固氮机理研究进展

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科学通报 2020年第2期65卷 142-149页

作者：王新宇高英志东北师范大学草地科学研究所植被生态科学教育部重点实验室长春130024

综述以往研究发现,大多数禾本科/豆科间作都会显著增加豆科作物的固氮比例(%Ndfa),并认为这种增加是由于禾本科作物对豆科作物根际氮素的耗竭作用引发的.但豆科作物体内通常会在氮磷之间保持稳定的化学计量关系,豆科作物共生固氮的增加... 详细信息

综述以往研究发现,大多数禾本科/豆科间作都会显著增加豆科作物的固氮比例(%Ndfa),并认为这种增加是由于禾本科作物对豆科作物根际氮素的耗竭作用引发的.但豆科作物体内通常会在氮磷之间保持稳定的化学计量关系,豆科作物共生固氮的增加会使作物生长受到磷的限制.在这种磷素限制条件下豆科作物会被激发出潜在的磷吸收策略,即通过根系分泌物或丛枝菌根真菌增加对土壤磷素的获取满足其自身固氮对磷素的大量需求,进而增强豆科作物自身的结瘤及固氮.此外,随着分子生物学技术的发展,新近研究发现禾本科作物根系分泌物能上调豆科根部关键结瘤基因NODL4,ENODL2,ENOD93,固氮基因FixI3,查尔酮-黄酮异构酶CFI基因和生长素响应基因GH3.1的表达,这些基因超量表达可促进豆科作物类黄酮物质的分泌、根毛卷曲、结瘤并促进豆科作物固氮.间作作物间通过根际氮素耗竭作用、磷素活化作用以及固氮基因分子调控等三个层面上互相偶联来促进间作系统氮素吸收、优化氮素利用效率和提升作物产量,这些研究对促进和发展禾本科/豆科间作固氮理论体系具有重要指导意义.

关键词：共生固氮根系分泌物丛枝菌根真菌间作根际过程

苜蓿根瘤菌SGNH水解酶家族基因的共生固氮功能研究

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苜蓿根瘤菌SGNH水解酶家族基因的共生固氮功能研究

作者：林叶华中农业大学

学位级别：硕士

SGNH水解酶家族是一类在四个保守序列区上具有严格保守催化残基Ser、Gly、Asn和His的水解酶,该家族水解酶在动物、植物、微生物及菌植共生中都扮演着重要的角色。为了深入研究SGNH水解酶在共生固氮中的功能,本研究在课题组前期工作基础... 详细信息

SGNH水解酶家族是一类在四个保守序列区上具有严格保守催化残基Ser、Gly、Asn和His的水解酶,该家族水解酶在动物、植物、微生物及菌植共生中都扮演着重要的角色。为了深入研究SGNH水解酶在共生固氮中的功能,本研究在课题组前期工作基础上对苜蓿根瘤菌1021(Sinorhizobium meliloti 1021)的SGNH家族水解酶基因sm Est23及华癸中慢生根瘤菌7653R(Mesorhizobium huakuii 7653R)同源基因MCHK＿RS21235在共生固氮中的功能进行了鉴定和确认,对S.meliloti 1021中的另外两个SGNH水解酶sm Est25、sm Est24的功能也予以了探讨,旨在揭示SGNH水解酶家族在根瘤菌与豆科植物共生固氮过程中的作用,研究结果如下:构建了苜蓿根瘤菌sm Est23的缺失突变体,并对其接种Medicago truncatula A17和R108两种蒺藜苜蓿品系的共生表型进行了盆栽检测。结果显示:以R108为宿主植物时,接种突变体的植株在地上部分鲜重、瘤重、固氮酶活均显著低于野生型。菌株回补后可恢复为正常表型,超表达sm Est23的菌株与野生型菌株的共生表型无显著差异。上述结果表明sm Est23参与了苜蓿根瘤菌的共生固氮,SGNH家族水解酶基因的功能与共生固氮相关。早期侵染事件观察结果显示,sm Est23缺失不会影响共生早期侵染线和根瘤原基的形成。荧光定量PCR检测结果显示sm Est23在共生30天左右表达量最高,推测其可能在共生中后期有较活跃的功能。紫云英根瘤菌7653R SGNH家族水解酶同源基因MCHK＿RS21235突变体的共生表型与sm Est23相似,且sm Est23基因可以异源互补MCHK＿RS21235缺失带来的表型缺陷。Sm Est23和MCHK＿RS21235经蛋白表达、纯化和体外酶活测定后显示二者均具有酯酶活性,可水解特定底物,且Sm Est23粗酶液可外源回补7653RΔMCHK＿RS21235的结瘤能力。sm Est23在7653R中超表达后菌株的共生效率显著提高,为根瘤菌剂的开发和利用带来新思路。考虑到基因冗余,sm Est23功能可能会被同家族其他基因掩盖,本研究利用Crisper/cas9技术构建了S.meliloti 1021另外两个同家族SGNH水解酶基因的突变体,即1021Δsm Est24、1021Δsm Est25,并在1021Δsm Est23的基础上进一步构建了双基因突变体1021Δsm Est23Δsm Est24、1021Δsm Est23Δsm Est25,且在两个品种的蒺藜苜蓿上进行了共生表型检测,结果显示双突变菌株表现为固氮缺陷叠加,表明1021中的几个SGNH家族水解酶基因可能协同发挥作用。

关键词：苜蓿中华根瘤菌1021 华癸中慢生根瘤菌7653R SGNH水解酶家族共生固氮菌植互作

天冬氨酸转氨酶在中慢生根瘤菌MAFF303099共生固氮中的作用

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华中农业大学学报 2021年第6期40卷 68-74页

作者：王婧仪曹扬荣朱辉农业微生物学国家重点实验室/华中农业大学生命科学技术学院武汉430070

为寻找根瘤菌中与共生固氮相关的调控基因,采用同源重组法,分别敲除中慢生根瘤菌MAFF303099在与豆科植物百脉根共生固氮过程上调表达的10个基因,研究它们对共生固氮的影响。结果显示:Δmlr5883敲除突变体相比于野生型MAFF303099,其固氮... 详细信息

为寻找根瘤菌中与共生固氮相关的调控基因,采用同源重组法,分别敲除中慢生根瘤菌MAFF303099在与豆科植物百脉根共生固氮过程上调表达的10个基因,研究它们对共生固氮的影响。结果显示:Δmlr5883敲除突变体相比于野生型MAFF303099,其固氮酶活性下降40%,侵染细胞形态未发生显著改变,对Δmlr5883回补可恢复固氮酶活性;预测mlr5883编码天冬氨酸氨基转移酶,体外检测该酶的天冬氨酸转氨酶活性为16.67 U/mg。该基因的突变会影响固氮效率,推测其可能参与对植物供给碳源的代谢过程。

关键词：天冬氨酸转氨酶中慢生根瘤菌MAFF303099 共生固氮同源重组

外源壳聚糖对低氮胁迫下菜用大豆共生固氮的影响

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外源壳聚糖对低氮胁迫下菜用大豆共生固氮的影响

作者：李星内蒙古民族大学

学位级别：硕士

日益恶化的环境迫使人们放弃高化肥投入的生产理念,进而转向低化肥绿色环保的生产目标。本研究分别以铵态氮、硝态氮为氮源,以‘日本青’-HH103共生固氮体系为试材,研究壳聚糖对低氮胁迫下菜用大豆共生固氮的影响,旨在明确低氮胁迫下壳... 详细信息

日益恶化的环境迫使人们放弃高化肥投入的生产理念,进而转向低化肥绿色环保的生产目标。本研究分别以铵态氮、硝态氮为氮源,以‘日本青’-HH103共生固氮体系为试材,研究壳聚糖对低氮胁迫下菜用大豆共生固氮的影响,旨在明确低氮胁迫下壳聚糖对菜用大豆共生固氮的促进作用,阐明低氮胁迫下壳聚糖提高菜用大豆固氮能力的动态实质及因果关系,丰富壳聚糖提高豆科植物固氮能力的理论和方法,为生产中减少化肥氮施用量探索新的途径。主要研究结果如下:1.以铵态氮、硝态氮分别作为氮源,随着氮素浓度的升高,菜用大豆地上部与地下部生物量、结瘤数、瘤鲜重与根系活力先升高后降低;而植株地上部含氮量、地下部含氮量与根瘤细胞浆氨含量随氮素浓度的增加逐渐升高;根瘤固氮酶活性、根瘤豆血红蛋白含量与根瘤类菌体氨含量则随氮素浓度的增加逐渐降低。说明适宜氮浓度有助于菜用大豆的结瘤与生物量的积累,但施氮不利于根瘤固氮。经综合评价得出,以铵态氮、硝态氮分别作为氮源,氮素浓度均为50 mg·L时为菜用大豆共生固氮适宜氮浓度,而25mg·L铵态氮和硝态氮可作为后续研究的低氮胁迫浓度。2.铵态氮、硝态氮低氮胁迫下,菜用大豆结瘤、固氮及植株生长均受到了显著抑制,而不同浓度外源壳聚糖处理对低氮胁迫下菜用大豆的地上部生物量、地下部生物量、植株含氮量、根瘤数、根瘤鲜重及根系活力均产生了显著的促进作用,但壳聚糖对铵态氮低氮胁迫和硝态氮低氮胁迫下的适宜诱导浓度不同,铵态氮低氮胁迫时的适宜浓度为250 mg·L,硝态氮低氮胁迫时的适宜浓度为200 mg·L。3.铵态氮、硝态氮低氮胁迫显著抑制了菜用大豆的共生固氮作用,而外源壳聚糖处理后使铵态氮、硝态氮低氮胁迫下菜用大豆各时期固氮相关酶活性及物质含量均显著升高,其中地上、地下部含氮量在胁迫期间的平均增幅分别达49.55%、43.68%和38.02%、39.25%,根瘤豆血红蛋白含量的平均增幅分别达32.41%与24.63%,根瘤固氮酶活性的平均增幅分别达11.20%与16.87%、根瘤类菌体中氨含量平均增幅达18.82%与21.88%,且壳聚糖处理在低氮胁迫下(T3)的根瘤豆血红蛋白含量、根瘤固氮酶活性和根瘤类菌体中氨含量均较在适宜氮浓度下(T1)显著升高,表明壳聚糖在低氮胁迫下的诱导效应要显著高于适宜氮浓度下的效应。4.铵态氮、硝态氮低氮胁迫使菜用大豆光合作用均受到显著抑制,壳聚糖处理后,低氮胁迫下植株叶绿素含量、净光合速率(P)、气孔导度(G)、蒸腾速率(T)与核酮糖1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)活性均显著升高,胞间CO含量(C)显著下降。其中P平均增幅达14.68%与14.19%,Rubisco活性平均增幅达25.68%与24.89%。表明外源壳聚糖显著促进了低氮胁迫下菜用大豆的光合作用,提高了碳同化效率。5.低氮胁迫下,菜用大豆根、叶的氮代谢受到显著抑制,壳聚糖处理后,铵态氮、硝态氮低氮胁迫下根、叶的可溶性蛋白质含量,硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)、谷氨酸脱氢酶(GDH)、谷氨酸草酰乙酸转氨酶(GOT)以及谷氨酸丙酮酸转氨酶(GPT)活性均显著提高,其中根、叶可溶性蛋白质含量在胁迫期间的平均增幅分别达28.68%、25.59%与20.22%、27.34%。可见,壳聚糖显著促进了低氮胁迫下菜用大豆的氮代谢作用。由上述结果可知,外源壳聚糖通过促进光合作用为共生固氮提供充足的碳源和能量;通过提高固氮酶活性及根瘤豆血红蛋白含量等加速N的同化固定;通过促进根、叶氮代谢进而加速氮的转化利用,促使N的同化固定、转化利用高水平运转,这可能是壳聚糖能够在低氮胁迫下促进菜用大豆共生固氮的重要原因之一。

关键词：菜用大豆共生固氮低氮胁迫壳聚糖诱导

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一氧化氮在根瘤共生固氮中的作用研究进展

信阳师范学院学报（自然科学版） 2023年第1期36卷 156-161页

作者：柯丹霞刘怡刘晓雪霍娅娅李锦颖信阳师范学院生命科学学院河南信阳464000

一氧化氮(nitric oxide, NO)是一种在植物中具有转移信号作用的小自由基分子。大量的NO在根瘤发育的不同阶段积累,表明NO在共生期间执行特定的信号和代谢功能。利用60篇文献,综述了NO信号分子参与结瘤的不同阶段,NO在结瘤过程中的代谢... 详细信息

一氧化氮(nitric oxide, NO)是一种在植物中具有转移信号作用的小自由基分子。大量的NO在根瘤发育的不同阶段积累,表明NO在共生期间执行特定的信号和代谢功能。利用60篇文献,综述了NO信号分子参与结瘤的不同阶段,NO在结瘤过程中的代谢和信号作用,以及NO对共生固氮的影响等方面的研究现状。展望了NO在豆科植物共生固氮体系中的研究前景。

关键词： NO 根瘤信号和代谢共生固氮

解磷菌和根瘤菌复合接种对大豆和紫云英共生固氮的影响

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华中农业大学学报 2020年第4期39卷 38-45页

作者：胡倡李慧明伍惠林会李友国农业微生物学国家重点实验室/华中农业大学生命科学技术学院武汉430070

从大豆根际及根瘤中分离获得2株具有较高解磷能力的细菌PSB-1和HZP1,通过Salkowski比色法和钼锑钪比色法,对这2个菌株产生IAA(indole-3-acetic acid,IAA)的能力和溶解无机磷的能力进行了测定,同时对紫云英和大豆进行接种,并对田间栽培... 详细信息

从大豆根际及根瘤中分离获得2株具有较高解磷能力的细菌PSB-1和HZP1,通过Salkowski比色法和钼锑钪比色法,对这2个菌株产生IAA(indole-3-acetic acid,IAA)的能力和溶解无机磷的能力进行了测定,同时对紫云英和大豆进行接种,并对田间栽培的大豆进行了菌剂接种试验。结果显示:PSB-1及HZP1均具有解磷及产IAA的特性;单接种解磷菌HZP1或PSB-1均有促进紫云英和大豆生长的作用;相比于单接种根瘤菌,将这2株解磷细菌分别与根瘤菌混合接种能进一步提高大豆和紫云英的地上生物量、根瘤鲜质量和根瘤数。田间试验结果显示,单独接种根瘤菌剂或解磷菌剂都有一定的增产效果,但双接种根瘤菌剂和解磷菌剂的增产效果不明显。

关键词：解磷菌根瘤菌大豆紫云英共生固氮复合接种