根瘤菌和植物（豆科）之间的相互作用分子机制课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,生命科学学院,遗传学,冯刚,根瘤菌和植物（豆科）之间的相互作用分子机制,根瘤菌和植物（豆科）之间的相互作用分子机制,1,1.相关概念,1.1,根瘤菌(,R,hizobia,),：,是一类广泛分布于土壤中的革兰氏阴性细菌，它可以侵染豆科植物根部形成根瘤，固定空气中的分子态氮形成氨，为植物提供氮素营养。,1.相关概念1.1 根瘤菌(Rhizobia)：是一类广泛分,2,1.2 根瘤菌的分类：,1,932年，Fred等人首次提出了根瘤茵分类系统，他们根据互接种族的关系，将全部根瘤菌定义为,1,属5种。,根瘤菌的早期分类一直是以互接种族(cross-in-,oculation group)为主要依据的,。,1.2 根瘤菌的分类：1932年，Fred等人首次提,3,Jordan在1984年出版的伯杰系统细菌学手册(第一卷)中，总结了前人数值分类、DNA碱基组成、DNA同源性、血清血分析、胞外多糖成份分析、全细胞可溶性蛋白电泳和rRN,A-,DNA杂交等大量研究结果，对根瘤菌科分类系统进行了修订,。,Jordan在1984年出版的伯杰系统细菌学手册,4,随着原核生物分类技术的改进和根瘤菌研究工作的深入，对根瘤菌系统发育的研究也随着根瘤菌分类系统的不断补充与完善而得以系统化、科学化。其后又发现了许多新种，并确定了其分类地位，目前，根瘤菌科已发展到7属36种,。,随着原核生物分类技术的改进和根瘤菌研究工作的深入，对根瘤菌系,5,1.3,共生关系,(Symbiosis)：,根瘤菌与相应的豆科植物及少数非豆科植物根系共生形成根瘤，能将空气中的分子态氮还原为植物可利用的氨，对自然界的氮素循环起着十分重要的作用，豆科植物为根瘤菌提供生长繁殖所需的能量和营养物质。,根瘤菌感染豆科植物形成根瘤共生体，是由根瘤菌和寄主植物2方面的遗传因素所决定，根瘤菌具备实现固氮功能的全部遗传因子，寄主植物提供固氮作用所需的条件。,指一个以上的有机体，双方建立互利共存或一方有利对方无害地生活在一起的一种关系，生物之间共生关系有利于共生体对外界自然环境的生存适应。,1.3 共生关系(Symbiosis)：根瘤菌与相应,6,2.,参与共生固氮的物质基础,从生物化学和分子生物学角度来看，豆科植物一根瘤茵的相互识别属亲和性(阴性)识别系统，吸附的专化性取决于分子识别，参与分子识别的物质包括,豆科植物凝集素(lectin),、,类黄酮,和,根瘤菌表面多糖,，,并将它们分别称为,植物识别子(cognor),与,细菌识别子(cognon),。,分子识别即植物识别子与细菌识别子间结构互补的特异结合。,2.参与共生固氮的物质基础 从生物化学和分子生物学角,7,2.1 豆科植物凝集素,作为媒介联结菌体和根毛细胞；,对糖残基结合的特异性使吸附具有专化性；,与细菌的,cognon,结构互补、相互联结,。,豆科植物的凝集素是其分泌的一种糖蛋白，它在吸附中有3种功能：,2.1 豆科植物凝集素作为媒介联结菌体和根毛细胞；对糖残基结,8,2.2 类黄酮,类黄酮属于植物次生物质，不直接参与豆科植物,根瘤菌分子识别反应。,已有研究,证实,类,黄酮能专一地诱导,nod,基因的表达，从而刺激,NodRm,因子的产生。,TonVan Brussel,等认为,nod,基因的诱导物是,nod,基因本身,，,并发现豌豆根瘤菌胞外多糖能诱导,8,种新的诱导,nod,基因表达的类黄酮产生，这种受根瘤菌诱导而新合成的类黄酮又通过诱导,nod,基因的表达而控制根瘤菌表面多糖的产生，这样识别信号不断放大。,2.2 类黄酮类黄酮属于植物次生物质，不直接参与豆科植物根,9,2.3,根瘤菌表面多糖,根瘤菌表面具有与凝集素有特异结合能力的多糖，包括胞外多糖、荚膜多糖和脂多糖：EPS是根瘤菌分泌到细胞之外的多糖，CPS存在于根瘤菌的荚膜中，,L,PS是细胞壁成分,。,EPS或CPS本身是一种可以与相应植物凝集素特异结合的半抗原，而,L,PS作为,cognon,时必须是完全型的，即含,O,一抗原；,O,一抗原中的糖组分有细菌种的特异性，使,L,PS在作为,cognon,起作用时表现出专化性。,sa,nder,等(1978)从豌豆根瘤菌和寄主共生的相互作用中，证实了豌豆根瘤菌荚膜多糖和胞外多糖的重要性，他们指出豌豆根瘤菌的突变株由于不能合成正常量的胞外多糖，以致不能使豌豆植物结瘤,。,根瘤菌的,cognon,依互作体系的不同而不同，是3种多糖中的1、2或,3,种,，,它们调节不同类型的吸附，并非同时参与作用。,2.3 根瘤菌表面多糖根瘤菌表面具有与凝集素有特异结合能力的,10,3.,与共生固氮相关的基因,3.1,与共生固氮有关的根瘤菌基因,在豆科植物,根瘤菌共生固氮体系中，参与根瘤发育的根瘤菌基因可分为,3,类：第,1,类是结瘤基因,(nod,nol,noe),；第,2,类是与细菌细胞表面结构有关的基因,(exs,lps,ndv),；第,3,类是固氮基因,(nif,fix)。,结瘤基因,主要功能是共生关系早期过程,中,信号分子的形成与交换。它们位于根瘤菌的共生质粒,(sym plasmid),上，包括,3,组：调节基因,(nodD),，共同结瘤基因,(nodABCIJ),和宿主专一性基因（又叫基因,hsn,），如,nodH。,3.与共生固氮相关的基因3.1 与共生固氮有关的根瘤菌基因,11,调节基因,nodD,存在于所有根瘤菌中，一般是组成型表达。其产物可激活其它,nod,基因的表达，但它的激活又受到宿主植物专一的黄酮类物质的调节。原因是，,nod,蛋白在类黄酮的存在下能够和,nodD,基因启动子中的,3060bp,长的高度保守的核苷酸序列，即,nod box,结合。所以一般认为，,nodD,是一转录结合物，调节其它,nod,基因的表达,。,共同结瘤基因,nodABCIJ,存在于所有根瘤菌中，具有较高同源性，并且在功能上是互补的，它对豆科植物根毛卷曲和皮层细胞分裂是必须的。,宿主专一性基因,控制根瘤菌的宿主范围,。,目前，已克隆的结瘤基因约有,50多,个,。,调节基因nodD 存在于所有根瘤菌中，一般是组,12,根瘤菌的结瘤基因表达后，将合成并分泌一类脂寡糖化合物，即结瘤因子，作为根瘤菌返还给宿主植物的信号分子。,与根瘤菌细胞表面结构有关的基因,研究表明，所有根瘤菌分泌的结瘤因子都具有相似的骨架结构：一个由,35,个,N,乙酰氨基葡糖组成的糖骨架和在还原糖末端,C,2,上连的一条脂肪酸链构成。但不同根瘤菌来源的结瘤因子在侧链上羟基的取代基团、脂肪酰链的长度和不饱和方面表现出较大的差异，而这些结构的差异是与根瘤菌的宿主范围紧密相关的。,与根瘤菌细胞表面结构有关的基因，即与胞外多糖,(EPS),、脂多糖,(LPS),和中性葡聚糖合成有关的基因，分别称,exs,lps和ndv,基因。它,们,对建立共生固氮关系是很重要的，这类基因突变，导致不能形成侵入线或形成空瘤。,根瘤菌的结瘤基因表达后，将合成并分泌一类脂寡糖,13,固氮,基因,固氮基因可分为固氮酶基因（,nif,基因）和共生固氮基因（,fix,基因）。,nif,基因是固氮微生物所共有的，有高度的保守性，它与肺炎克氏杆菌,(K.Pneumonic),有同源性的固氮酶结构或调节基因。其中,，nifA,是转录调节基因，它对其它,nif,基因和某些基因进行正调控；,nifDH,是固氮酶的结构基因；,nifL,是负调节基,因。,fix,基因是只在根瘤菌中发现的、控制共生固氮作用的基因，其中,fixABC,在电子传递中可能具有作用；已报导,fixC,对膜嵌入有一个信号序列；,fixLJ,对,nifA,基因转录调节。,固氮基因 固氮基因可分为固氮酶基因（nif基因,14,3.2,与共生固氮有关的植物基因,在根瘤发育的各个阶段，一些植物基因得到特异性表达，这些在根瘤发育中特异表达的植物基因被称为结瘤素,(nodulin),基因。,在根瘤固氮开始之前，表达的植物基因被叫做早期结瘤素基因,(ENOD),，相反在固氮开始时和之后，表达的植物基因则称为晚期结瘤素基因,(NOD)。,Enod,一般是在根瘤接种数小时后到根瘤形成、固氮作用之前出现。据报道，不同植物根瘤的,Enod,有所不同，但共同的是都有,Enod2,Enod5,Enod12,Enod40,等。,Nod,大多数在根瘤有固氮活性前表达，与固氮作用密切相关。研究最多的是豆血红蛋白,(Lb),，为固氮过程中固氮酶兼氧所需。,3.2 与共生固氮有关的植物基因 在根瘤发育的各,15,4.,共生固氮,过程,豆科植物,根瘤菌相互识别属亲和性(阴性)识别系统，,它们之间相互作用,形成根瘤的过程可分为,5,个阶段：,（1）,根瘤菌趋化性地接近根毛细胞，并在植物根际繁殖，即根际的,殖民化；,（2）,根毛细胞变形弯曲；,（3）,细菌诱导根毛细胞形成一种管状结构侵染线；,（4）,根皮层细胞分裂形成根瘤原基；,（5）,根瘤原基分化形成各种根瘤组织，最后形成成熟的固氮根瘤,。,4.共生固氮过程 豆科植物根瘤菌相互识别属亲和,16,当豆科植物在,幼苗期,，土壤中的根瘤菌便被其根毛分泌的有机物吸引而聚集在根毛的周围，并大量繁殖。同时产生一定的分泌物，这些分泌物刺激根毛，使其先端,卷曲和膨胀,，同时，在根菌瘤分泌的纤维素酶的作用下，根毛细胞壁发生,内陷溶解,，随即根瘤菌由此侵入根毛。在根毛内，根瘤菌分裂滋生，聚集成带，外面被一层粘液所包，形成为,感染丝,，并逐渐向根的中轴延伸。同时，在根瘤菌的刺缴下，根细胞相应地分泌出一种纤维素，包围于感染丝之外，形成了具有纤维素鞘的内生管，又称,侵入线,。根瘤菌顺侵入线进入幼根的皮层中。,在皮层内，,根瘤菌,迅速,分裂繁殖,，皮层细胞受到根瘤菌侵入的刺缴，也迅速分裂，产生大量的新细胞。致使皮层出现局部的膨大。这种膨大的部分，包围着聚生根瘤菌的薄壁组织，从而形成了外向突出生长的,根瘤,。,之后，含有根瘤菌的薄壁细胞的细胞核和细胞质逐渐被根瘤菌所破坏而消失，根瘤菌相应地转为,拟菌体,(,bacterioid,),。,具体过程,：,当豆科植物在幼苗期，土壤中的根瘤菌便被其根毛分,17,主根瘤菌,刚刚进入豆科植物根部的时候，并不能固氮，只能发展到,拟菌体,阶段，才能进行固氮作用。,在根瘤内，,根瘤菌,从豆科植物根的皮层细胞中吸取碳水化合物、矿质盐类及水分。以进行生长和繁殖。同时它们又把空气中游离的氮通过固氮作用固定下来，转变为植物所能利用的含氮化合物，供植物生活所需。这样，根瘤菌与根便构成了互相依赖的,共生关系,。,主根瘤菌刚刚进入豆科植物根部的时候，并不能固氮,18,（1）,根际的殖民化,根瘤菌对豆科植物根际的,殖民化,是由细菌的,趋化性,和,根分泌物,刺激根瘤菌生长的潜力来决定的，关于趋化性的信号机理还不清楚。,选择吸附学说,认为，根瘤菌对豆科,寄主植物,与,非寄主植物,根毛吸附的选择性，是,致瘤专化性,的重要原因，一种根瘤菌或其特定菌系,（,菌株,）,只能特异性地侵染其来源寄主和少数其他寄主并诱发根瘤,。,5.,共生固氮各阶段的信息传递和基因表达,（1）根际的殖民化根瘤菌对豆科植物根际的殖民化是由细菌的趋化,19,（2）,根毛细胞变形和卷曲,有两种,mRNA,体外翻译蛋白：,RH-42,和,RH-44,只在接种后的根毛细胞中得到增强，这两种蛋白质可能和根毛变形与卷曲有关,，而根瘤菌能促进根毛细胞发育,。,RH-42,基因的诱导表达和,RH-44,基因表达的增强需要,nod,基因产物的存在,。,分离纯化的结瘤因子在高于,1nmol/L,的浓度可以诱导其宿主植物根毛变形。研究表明，结瘤因子的脂肪酸链是其诱导根毛变形所必需的，而脂肪酸链的结构相对来说不是很重要。,对根毛变形和卷曲有关的基因表达的研究主要是，通过比较接种野生型根瘤菌和,nodABC,突变体的