人才强校 | 中国农大田长富课题组揭示根瘤菌广谱定殖豆科与禾本科植物根表的新机制

中国农大新闻网讯1月10日,《国际微生物生态学会会刊》(The ISME Journal)在线发表了中国农业大学生物学院根瘤菌研究团队田长富教授课题组的研究论文:《FadL-ExoFQP通过调控胞外长链酰基高丝氨酸内酯水平介导根瘤菌向根迁移》(Rhizobial migration toward roots mediated by FadL-ExoFQP modulation of extracellular long-chain AHLs)。

根瘤菌是陆生植物根际微生物群落的优势细菌类群之一,能够与豆科植物共生并建立自然界效率最高的生物固氮体系,也能对禾本科等非豆科植物产生促生作用。近年来,越来越多的研究致力于提高根瘤菌-豆科植物共生固氮效率及其抗逆性,并探索建立根瘤菌与非豆科植物的共生固氮体系,以促进农业绿色发展。在前期工作中,田长富课题组系统研究了广宿主费氏中华根瘤菌(Sinorhizobium fredii)结瘤固氮功能与底盘整合效率的遗传演化与分子调控机制(Nucleic Acids Research 2022;ISME J 2022a, 2022b, 2018;mBio 2022a, 2022b, 2021, 2020;mSystems 2021;PLoS Genetics 2018;Environ Microbiol 2017)。为了进一步解析根瘤菌在共生关系建立过程中适应植物根表的遗传基础和分子机理,从而指导广适性根瘤菌的合成生物学改造,在1月10日发表的最新研究中,该课题组利用 Tn-seq 高通量挖掘了广宿主费氏中华根瘤菌 S. fredii 定殖栽培大豆、野生大豆、玉米和水稻根表的功能基因,并围绕根际与根表存活能力、从根际到根表的迁移能力,利用反向遗传学和微生物生理学方法研究了正向和反向调控根瘤菌广谱定殖能力的基因元件与模块。

图1. 高通量筛选根瘤菌广谱根表定殖的正负调控基因

该研究针对广宿主费氏中华根瘤菌 S. fredii,构建了三个独立的高覆盖度转座子随机插入突变体库,将其接种到栽培大豆、野生大豆、玉米和水稻根际,7天后收集根表细菌样品并利用 Tn-seq 高通量鉴定根表定殖能力显著增强和减弱的突变体(图1)。少数基因参与广谱性根表定殖。fadL 编码一个位于外膜的脂肪酸转运蛋白,该基因突变后根瘤菌的广谱根表定殖能力显著增强;exoFQP 编码参与胞外多糖寡聚化与分泌的三个膜蛋白,这三个基因突变后广谱根表定殖能力显著减弱,但是其他参与胞外多糖合成的必需基因突变后并没有呈现定殖能力缺陷(如exoA 和 exoY;图1)。这些表型差异与根际或根表存活能力、游动能力、胞外多糖和生物被膜产生能力无关。

对称接种实验表明(图1):根瘤菌向根表的迁移效率呈现距离衰减模式,fadL 缺失突变株的迁移能力显著高于野生型菌株,exoF 缺失突变株的迁移能力显著降低,两个突变株的基因回补菌株与野生型菌株均无显著差异。遗传学和生理学证据表明(图2):fadL 缺失突变株的细胞外 AHLs 总量增加,exoF/exoQ/exoP 缺失突变株的胞外AHLs总量降低,基因回补使得这些突变株的表型恢复 (AHLs 感应菌株显色与定量分析);exoF 缺失导致细胞内短链AHL积累(3-OXO-C8-HSL)而细胞内外长链AHLs含量均降低(C12-HSL、3-OXO-C12-HSL、C14-HSL和3-OXO-C14-HSL), fadL 缺失使得细胞外长链 AHLs 水平升高(C12-HSL、3-OXO-C12-HSL、C14-HSL和3-OXO-C14-HSL)(HPLC-MS定量分析)。进一步在缺失内源 AHLs 的遗传背景下(traI sinI、traI sinI exoF 和 traI sinI fadL)添加外源 AHLs 研究,发现 FadL 介导长链 AHLs 的吸收,ExoF 介导短链 AHLs 的分泌(图2)。在此基础上,该研究提出了 FadL-ExoFQP 调控根瘤菌细胞外长链 AHLs 的工作模型。

图2.FadL 和 ExoFQP 分别介导长链 AHLs 吸收和短链 AHLs 分泌

参照 fadL 缺失突变株的胞外长链AHLs组分(HPLC-MS),该研究构建了人工合成的长链 AHLs“鸡尾酒”混合物,该长链 AHLs 混合物能够以扩散的方式促进根瘤菌(野生型菌株和相关突变株)从根际向根表的迁移,也能促进根瘤菌的表面运动(图3)。该表面运动过程和向根表的迁移不依赖鞭毛 —— flaA 基因突变后,依赖鞭毛的游动能力降低,但是在实验条件下的表面运动能力和向根表的迁移能力与野生型菌株无显著差异(图3)。而fadL 和 exoF 突变株呈现了显著的表面运动能力差异(图3)。此外,该研究发现 S. fredii 的 fadL缺失突变株在野生大豆和栽培大豆的竞争结瘤能力显著提高,Sinorhizobium meliloti 的两株商业菌株缺失 fadL 之后在紫花苜蓿的竞争结瘤能力也获得了显著提升。系统发育分布分析表明 FadL-ExoFQP在 Alphaproteobacteria 较为保守,暗示了该系统对 AHLs 的调控以及在根际细菌定殖根表过程中的重要作用。

图3.长链 AHLs“鸡尾酒”促进根瘤菌表面运动及向根表的迁移

中国农业大学生物学院根瘤菌研究团队田长富教授为该研究论文的通讯作者,纪园园博士为第一作者,已毕业博士研究生张碧亮和张盼,在读博士生司有为和田雨,本科生陈柳池、万茜瑶、李璨和王人禾,及张子丁教授为共同作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国农业大学“2115人才培育发展支持计划”(青年科学家创新团队)等项目的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41396-023-01357-5


供稿:生物学院

编辑:王珊

责编:于哲


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