根瘤菌是一類廣泛分布于土壤中的革蘭氏陰性細(xì)菌，能與豆科植物形成高度轉(zhuǎn)化的共生關(guān)系，侵染豆科植物根部形成根瘤，進(jìn)而固定空氣中的分子態(tài)氮形成能被植物利用的有機(jī)氮；同時(shí)，根瘤菌從宿主植物中獲取所需的光合產(chǎn)物。根瘤菌每年固定的純氮約為4000萬噸，約占整個(gè)農(nóng)業(yè)體系生物固氮總量的65%，研究根瘤菌-豆科植物共生固氮體系及機(jī)理對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要。近年，得益于高通量DNA測(cè)序，大量根瘤菌的完整基因組得以迅速發(fā)表，但對(duì)關(guān)鍵基因的功能分析驗(yàn)證工作仍然滯后。

　　本研究運(yùn)用Mariner轉(zhuǎn)座子插入測(cè)序技術(shù)（INSeq）分析了根瘤菌-豆科植物共生過程中的連續(xù)生活方式階段，首次明確了根瘤菌在根際生長(zhǎng)、根系定殖、侵染根毛細(xì)胞、形成根瘤、分化成固氮類菌體和從根瘤中釋放各個(gè)階段的必需基因。雖然只有27個(gè)基因被注釋為固氮基因（nif和fix），但研究人員發(fā)現(xiàn)有603個(gè)基因區(qū)域是豌豆結(jié)瘤和固氮過程中的必需基因。其中，146個(gè)基因?yàn)楦H生長(zhǎng)到類菌體發(fā)育階段的必需基因，這些基因凸顯了根際環(huán)境中的成功競(jìng)爭(zhēng)對(duì)后期侵染及結(jié)瘤的重要性；此外，211個(gè)基因?yàn)榻Y(jié)瘤和類菌體階段的特異基因，主要為菌體運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞膜重組、結(jié)瘤信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、固氮和代謝適應(yīng)（包括尿素、赤蘚糖醇和醛代謝、糖原合成、二元酸代謝和谷氨酰胺GlnII合成）等功能相關(guān)基因。研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了根瘤菌與宿主豆科植物共生的多個(gè)階段競(jìng)爭(zhēng)的重要性，為深入了解兩者間互作機(jī)理奠定了理論基礎(chǔ)。

　　相關(guān)成果以“Lifestyle adaptations of Rhizobium from rhizosphere to symbiosis”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊PNAS上（論文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2020/09/04/2009094117）。

　　英國(guó)牛津大學(xué)植物系Philip Poole教授團(tuán)隊(duì)及中國(guó)科學(xué)院植物種質(zhì)創(chuàng)新與特色農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、武漢植物園為論文共同完成單位，武漢植物園獼猴桃種質(zhì)資源與育種學(xué)科組李黎副研究員為論文的共同第一作者。該研究得到國(guó)家公派留學(xué)基金項(xiàng)目資助。

圖1 Rlv3841菌株與豆科植物共生不同階段的必需基因