菜豆根瘤菌的比较基因组与系统发育研究.docx

菜豆根瘤菌的比较基因组与系统发育研究菜豆是全球重要的豆类经济作物 , 它能与根瘤菌进行共生固氮作用 菜豆引入中国后 , 其共生根瘤菌主要有根瘤菌属 (Rhizobium) 、 中华根瘤菌属 (Sinorhizobium) 和慢生根瘤菌属 (Bradyrhizobium)3 个属中的多种根瘤菌目前 , 对这些具有不同基因组背景或共生背景的根瘤菌被招募为菜豆根瘤菌的认识尚不清楚 , 也几乎没有在基因组水平上对多个种属根瘤菌的共生相关基因簇进行比较的研究此外 , 根瘤菌属菌株的生物地理模式已经被揭示 , 然而菌株的生物地理模式与遗传背景尚不清楚本文利用 de novo 测序技术对 29株菜豆根瘤菌的全基因组进行测序 , 包括 21 株根瘤菌属菌株 (19 株分离于中国、 2株分离于墨西哥 ) 、 4 株中华根瘤菌属菌株 (2 株分离于中国、 2 株分离于墨西哥 ) 和 4 株慢生根瘤菌属菌株 ( 均分离于中国 ), 将它们与亲缘关系或共生关系密切的参考菌株进行比较基因组分析 , 从而确定这些菜豆根瘤菌菌株的系统发育地位 , 推断它们的共生相关基因的起源及获得方式 , 并对分离于酸性或中 / 碱性土壤中的根瘤菌属菌株的生物地理模式与遗传背景进行了比较联系分析。

此外 , 还结合遗传分析和多相分类方法对一株潜在新种进行研究研究结果如下 :1. 利用核心基因等方法对21株测序的Rhizobium属菌株以及从Genban嫩据库获得的 48 株分类为 R.etli 、 R.phaseoli 和 R.leguminosarum 的菌株进行了系统发育地位分析 , 鉴定得到 28 个不同的根瘤菌类群 其中菜豆根瘤菌被划分到 25个类群中 ,包括 16个已知物种和 9个未知种发现之前描述为 R.etli 、 R.phaseoli 、 R.vallis 、 R.gallicum 、R.leguminosarum 和 Rhizobium spp. 的 35 株菌重新划分到不同的类群同时 , 在多个根瘤菌类群中发现若干个共生变种 , 如R.anhuiense（ 含 3 个共生变种 sv.phaseoli 、 sv.trifolii 和 sv.viciae） 、 R.sophoriradicis/R.etli/Rhizobium sp.III（ 含 2 个变种 sv.phaseoli 和 sv.mimosae） 、R.hidalgonense/R.acidisoli（ 含 2 个变种 sv.phaseoli 和 sv.trifolii） 、 R.leguminosarum/Rhizobium sp.IX（ 含 2 个变种 sv.phaseoli 和 sv.viciae） 和 R.laguerreae（ 含 2 个变种 sv.trifolii 和 sv.viciae） 。

2. 结合共生基因分析发现分离自中国菜豆的 19 株测序的 Rhizobium 属根瘤菌中 ,R.anhuiense 和 6 个未定种目前仅在中国分离鉴定到 , 且在这些菌株中检测到共生相关基因的水平转移事件 , 从而使这些菌株能与菜豆结瘤 ;R.phaseoli 、R.sophorriradicis 和 R.esperanzae 的中国菌株与菜豆起源地—— 墨西哥的菌株具有密切的系统发育关系 , 同时体现在染色体背景和共 生基因方面 , 这表明这三个物种的不同分离地的菌株具有相同的起源这些菌株可能是随着菜豆种子一起被引入的 与菜豆 Rhizobium 属菌株的共生区域相比 , 部分 Sinorhizobium 和 Bradyrhizobium 属的菜豆根瘤菌与大豆根瘤菌的共生基因更为相似 , 交叉结瘤试验表明大豆和菜豆的根瘤菌之间的共生兼容性 ; 这两个属中还有一些菌株的不同共生基因与不同宿主的根瘤菌的共生基因最为相似 3. 通过对分离自酸性或中 / 碱性土壤中菌株基因组的同源基因进行比较分析 , 发现分离自酸性土壤的 7 株菌 （组 I） 的基因组平均有 6222个编码序列分配到20个CO劭能类别上，共有3997个核心基因（约4.24 Mb）;分离自中/碱性土壤的 7 株菌 （组 II） 的基因组平均有 6015编码序列分配到 20个CO助能类别上，共有3955个核心基因（约4.17 Mb）。

比较两组的 全基因组 , 组 I 显著含有更多的基因与细胞运动相关在核心基因组中，组I和组II的基因数在10个功能类别上存在显著差异，包括转录、 细胞运动和信号转导机制等 组 I 特异的核心基因包括四型分泌系统（T4SS）,而组II特异的核心基因包括T3SS 4.菌株115~丁从中国江西储潭的菜豆根瘤中分离得到基于 16S rRNA基因、串联的持家基因以及核心基因组的系统发育分析 , 化学成分和表型特征的结果 , 提出 J15~T 为 Rhizobium 属的新成员 , 并命名为 Rhizobium phaseona, 该菌株J15~T具有pH生长范围广（pH 5-11）和可利用的碳源多等优点 综上所述 , 本研究在基因组水平上确定了不同地区菜豆根瘤菌的系统发育地位 , 阐明了菜豆 3 个属内根瘤菌的共生相关基因的同源性和不同获得方式在根瘤菌属内 , 菜豆根瘤菌在遗传水平上具有多样性 ,而共生相关基因高度保守 , 发生大量的基因水平转移事件 ; 中华根瘤菌属属和慢生根瘤菌属的菜豆根瘤菌具有更广的共生兼容性 , 能与其他宿主植物共生 ; 分析了根瘤菌属优势属菌株的生物地理模式的潜在遗传背景。

这些研究结果为不同种属的豆科植物根瘤菌的共生策略提供了新的见解 , 根瘤菌的生物地理模式和根瘤菌的多相分类鉴定对不 同菜豆生态产区的根瘤菌接种剂的选择和实际应用具有指导意义 。