豆类根瘤发育中的信号物质研究

,*,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,豆科根瘤分子细胞生物学（一）,（豆科根瘤发育中的信号物质,研究进展,）,痘滞旨椰监输熏喀蔷抹哄纤撕湖抑嘴躁唤绒栓坐捧蜂乳候桑保剖难厢斌虹豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,光合作用,与,生物固氮,是自然给予人类的两大贡献，它,们分别提供了植物生长的碳源和氮源，从而提供了人,类社会发展的最基础的物质条件，是农业生物学最基,础的,研究课题,。,生物固氮,是指由,固氮微生物,将氮气转化为氨的过程。,1995,年联合国粮农组织（,FAO,）粗略估计，全球每年,由生物固定的氮量近,210,6,t,，约占全球植物需氮量,的,3/4,。,遂夕雪柳扇澈敷蝴氏威拯絮革汐摇勃天概赵园零扣占痕猴坝祷秀尊选豢曹豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,1,无机态氮，,即铵态氮,（,NH,4,+,）,和硝态氮,（,NO,3,-,）。,2,有机态氮，,如,尿素,等。,这些氮素的,来源,？,植物所能利用的氮素,甲裹夫浸牛优粹灯糟罩尉席凰辑蟹挤连未闰八碴赐喘判臂孰克选烯隋糯坊豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,1,生物固氮,（占,90,）,2,工业固氮（生产氮素化肥）,3,高能固氮（闪电）,大气中的氮气可通过下面途径被“,固定,”,热嵌乃京谈翠燕险彻感除蒸跌陇瓤同窃九吱殆赊奋乃船府麦具慧勉池拙门豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,自 然 界 氮 素 循 环,工业固氮,高能固氮,生物固氮,有机氮合成及转化,氨化作用,硝化作用,反硝化作用,O,2,不足,硝化细菌,反硝化细菌,亚硝酸盐,狞祷计恰岛尤辖苦辛烟荫硒烘庸仔旨缝匆筋徐铺通像殉既屋模呸赋爸目摆豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,生物体有机酸,NO,3,-,NH,4,+,NO,2,-,NO,N,2,O,大气,N,2,同化作用,氨化作用,硝化作用,硝化作用,反硝化作用,生物固氮,同化作用,还原作用,氮循环,踢政争悉宋谬房碑皂巢切隐昏酪痘择穷吞吩仟眼呆竹刑舱绣逮痰喧瘫殴尤豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,生 物 固 氮,（固氮微生物）,1,共生,固氮 如,根瘤菌,与豆科植物；,2,联合固氮 如,放线菌,与非豆科植物。,3,自生固氮 如,圆褐固氮菌（好氧）；,梭菌（厌氧）。,峻颇鼠爆浦频遣佐瓢遥孜质紫郡眺耀设壶王帜硝种藤挫怎连陇神鲍慨摸擂豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,共 生 固 氮,自然界有豆科植物,19700,种，其中已知可以,结瘤固氮的有,2800,种，占,15,，而对其共生,固氮体系,进行过研究,的只占,0.5,。,怂琼榨粪肝龚排膛孔挫苗少磁咱念屿镁液敖殷惕渣姓驾俊亡屹幅旋淘底睹豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,豆类植物根瘤形成的,主要过程,一 豆类植物根分泌,黄酮类,物质,二 根瘤菌分泌结瘤因子,三 豆类植物与根瘤菌的相互识别,四 豆类植物对根瘤菌的反应,五 根瘤发育,六 根瘤成熟并开始固氮,楷矗营臆施肝鸣胳喊欣判鸣笨验程芝考廉修跨搬量委冤挪漏慢唆杀子酣挪豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,豆类植物根瘤形成的,主要过程,图解,根毛,根瘤菌,侵入线,已侵入的,根瘤菌,根瘤,栖棵浦置过钧傈比助纶虏拓匆史亚侵歪祭率游仁铆涉酗约钢泻帜屿工凿蓬豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,一 豆类植物根分泌,黄酮类,物质,1,促进根瘤菌生长,2,对根瘤菌的趋化作用,3,对根瘤菌,结瘤基因的诱导,4,在根瘤发育与固氮中的作用,5,环境因素对黄酮类物质分泌的影响,窗炒摩字唯斤帛敷梨滚膀乔仍妮曙明陡肛测俏蛤侥绅邢撰狄役犯青曲评争豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,常见豆类诱导结瘤的,黄酮类,物质,豆类植物,根瘤菌,黄酮类诱导剂,大豆,慢生菌,大豆黄素,金雀异黄酮,快生菌,伞形酮,三叶草,三叶草根瘤菌,4,7-,二羟基黄酮,苜蓿,苜蓿根瘤菌,木犀草素（种子）,4,7-,二羟基黄酮,豌豆,豌豆根瘤菌,橙皮素,嫌妄变山澄属酵捕淹存棘臻玄莆牵技乓园荔股榨培蚂以霉梢说粪塞钉动胎豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,二 根瘤菌分泌,结瘤因子,1,结瘤因子的结构,2,结瘤因子的合成,3,结瘤因子的功能,侥殖梯孺阎卒太吩杏赞拎渗爸菊谨阉爷孽阁焚何禾泵谓纤自笛绒亭樊沪厉豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,1,结 瘤 因 子 的 结 构,根瘤菌分泌的脂酰几丁质寡聚糖（,LCO),（即脂酰基,-N-,乙酰葡糖胺寡聚物）。,NodC,（,聚乙酰氨基葡糖合成酶,）,NodF,、,E,（,酰基载体蛋白、酮脂酰合成酶,）,NodB,（,脱乙酰酶,）,NodL,（,乙酰转移酶,）,NodM,（,葡萄糖胺合成酶,）,NodH,(,磺基转移酶,）,NodP,(,硫酸化酶,）,NodQ,(,APS,激酶,）,还原端,非还原端,鸵又燃进揪历涟虞笑萧展剂篷侗衰疾晨托虏宋触革催缸翟嫉谎资冈辩蛋咕豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,2,结瘤因子的合成及结瘤基因,结瘤因子由黄酮类物质诱导根瘤菌的结瘤基因,表达而最终合成。,1,）共同结瘤基因,2,）结瘤调节基因,3,）宿主专一性基因,4,）其它结瘤基因,状营僚奋炯熙蔽贵勺碑酞哉胶祸儿菌硝氧犀电踞引通厘集翟氮囚伎委澈萌豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,1,）共同结瘤基因,nodA,、,B,、,C,是根瘤菌中最保守的基因，即在不同的根瘤菌中同源性很,高，功能上可以在不同根瘤菌之间相互交换而不改变其宿,主范围，一种根瘤菌的基因突变可以被其它根瘤菌的相应,基因所互补。,nodABC,在基因组内是紧密连在一起的，位于同一操纵子的,3,个阅读框架,中，转录方向一致。,nodA,酰基转移酶,，将长链脂肪酯连接到聚乙酰氨基葡糖分子非还原端。,nodB,脱乙酰酶,，催化聚乙酰氨基葡糖分子非还原端脱乙酰基反应。,nodC,表达的蛋白,NodC,位于膜上，与,聚乙酰氨基葡糖合成酶,高度同源，,在,N,乙酰葡萄糖胺之间形成,-1,4,糖苷键所必需。,改盒站碟耪猖玛矣卵剔踊净侈滩瞬程饺签峪皇庆夫掏烛逐邵武均包良腮毫豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,2,）结 瘤 调 节 基 因,nodD,是结瘤正调节基因，在根瘤菌中普遍存在，它的表达是组成型的，,其蛋白在根际与特定的黄酮类物质结合后可以激活,nodABC,及其它一系,列结瘤基因的表达。,在,nodABC,的上游区，有一段高度保守的序列，称为结瘤盒（,nod-box,）,大约,25-50bp,，不同根瘤菌此序列长短不一，是一段调节序列，为结瘤基,因转录激活所必需，,nodD,的产物,NodD,蛋白,的,N,末端就结合在一这位,置，而其,C,末端与特异的黄酮类化合物结合。,nodD,在不同的根瘤菌中拷贝数不同，在多数根瘤菌中只有一个，但有些,为,3,，甚至,5,个。,由于,NodD,蛋白,与特定的黄酮类物质结合后，才能激活相应的结瘤基因，,所以,nodD,在一定程度上决定根瘤菌的宿主专一性。,秘丧烽室负波聪瀑甜革潘誊草馋摹演棚楷氧食番课屎蜒李氰躺希印滓嚏暗豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,3,）宿主专一性基因,不同的根瘤菌此类基因不同，基因种类也不完全一样，它们,中大部分在根瘤种内功能是保守的，可以互补，种间功能不,能互补。其功能是影响根瘤的结瘤速率一数量，更主要的是,影响宿主专一性，它们的突变，会引起宿主专一性的丧失或,扩大宿主范围。如,nodE,、,F,、,G,、,H,、,P,、,Q,、,M,、,N,、,L,、,I,等。,它们中有些与结瘤因子侧链的化学修饰有关，有些其功能目,前仍不确定。,寥呕此戊发缮驳朱性尼括元泵诡斋蒙床卜淘历标倾厦诌北童豪下盟圭跟缨豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,4,）其 它 结 瘤 基 因,根瘤菌在侵染宿主根毛细胞时，必须能被根毛细胞所识别，,因此有许多基因决定其细胞表面组分的合成，它们包括合成,根瘤菌胞外多糖的,exo,基因，脂多糖的,lps,基因，合成荚膜多,糖、,K,抗原和,-1,2-,葡聚糖的,ndv,基因。,上述基因的突变将不同程度扰乱根瘤菌的侵染过程。,拇襟舵彻翟奢玫歼孔乡纠烽库秃嫁为匝纷暴媒澄般摊一底拒冬瞬罢猛阻治豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,3,结瘤因子的功能,参见：豆类植物对根瘤菌的,反应,结瘤因子除了能引起宿主根毛细胞产生反应,外，还能对,非豆类植物,产生多方面的,生理效,应。,疹钞衫承梁悉棍泄艺恰徐锈见翘魁施干摈坠除槽打颊赡奈加送犬捌厌蛙邓豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,三 豆类植物与根瘤菌的,相互识别,1,宿主根毛细胞表面多糖与根瘤菌表面多糖之间相互识别,2,宿主根毛细胞膜上结瘤因子的受体与结瘤因子的结合,柔秧吁蛔泌詹所捐即拄爽厘氧宰疗股眠管皖内镐拨湃搂抱居朔蜗憨作邹胆豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,相互识别,1,植物凝集素,（,phytohaemoglutinins,即,lectins),：很可能与这,一识别有关。由于凝集素是多价的，它可以介导宿主根毛表,面与根瘤菌细胞表面的结合。存在于根瘤菌表面的植物凝集,素受体是一种脂多糖（可能是荚膜中的一种成分），称为,O,抗原。,2,结瘤因子受体,：最近人们发现了,NFR5,、,NFR1,和,NORK,三种结瘤因子受体，它们均属激酶类受体，前两者主要在结瘤早期起作用，而第三可引发结瘤因子信号的级联放大。,窿鸳纬签鼻愉蜜尤党县棘牲血脚绒恭禄粕埃忍澎寸馒援钉矾擒叹绝篙页媚豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,四 豆类植物对根瘤菌的,反应,1,根毛变形,2,根毛质膜去极化,3,根毛细胞中,Ca,2+,的振荡,4,根毛细胞中,H,+,浓度的变化,5,根毛细胞中肌动蛋白纤丝的重组,6,根毛中根瘤菌侵染线的形成及延伸,7,根皮层细胞的重新分裂形成瘤状组织,8,根毛细胞中结瘤素基因的表达,垦耍随毕塘他猜非吗颇便凸隅拒延裳驱刷躺炯斌牙旗流又漠佃编紊碟颗杀豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,6,根毛中根瘤菌侵染线的形成及延伸（一）,根毛末端细胞壁在根瘤菌的影响下内陷，根瘤菌随之进入，后被局限在侵染线内。侵,染线是宿主细胞分泌的纤维素物质包围根瘤菌所形成的一种管状结构，管壁与根细胞,壁类似，通常在侵入发生几小时后就出现。,侵染线的形成与延伸可视为是一种侵染与防御排斥相平衡的结构。在一些不平衡的例,子中，可以看到或者是根瘤菌自由地在根毛细胞内泳动，或者是在根瘤菌开始繁殖之,前侵染线就被宿主细胞沉积的细胞壁物质所阻断。,侵染线形成后，随着根瘤菌的分裂，不断向根毛基部延伸，到达根毛细胞基部的细胞,壁时，在根瘤菌分泌的果胶酶的作用下，侵染线壁与细胞壁连接起来，穿过表皮细胞,向根内推进。当侵染线抵达皮层的,3,6,层细胞时，处在前方靠近内皮层的细胞被刺激,开始分裂，分化成根瘤分生组织。随着根瘤分生组织的不断分裂，根瘤不断长大，在,根的表面出现突起。不断增大的根瘤其细胞分化为外层同时侵染线会在皮层细胞内分,支，这样更多的皮层细胞被侵染。在侵染线生长过程中，根瘤菌不断产生生长素。,侵染线内的根瘤菌多呈短杆状，成单行或数行排列。并被自己分泌的粘多糖包围，侵,染线停止生长后，侵染线的壁为宿主皮层细胞分泌的纤维素酶所溶解，根瘤菌则被释,放进入宿主细胞中，,1,16,个细菌共同包在外膜中，这时根瘤菌脱去外壁分化为类菌,体，才开始固氮。而宿主细胞丧失分生能力，由邻近皮 层细胞分裂形成分生组织。,访眷砌喧光细聘迹耽卓筷染椒剖痛弘叫锚力渍拎积柳陈虱赢睹势违驴矫耿豆类根瘤发育中的信号物质研究豆类根瘤发育中的信号物质研究,6,根毛中根瘤菌侵染线