氨基酸外运系统MsiAR在中慢生型天山根瘤菌和其宿主甘草初期信号交流中的生态学作用

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中慢生型天山根瘤菌可以在其宿主甘草根部共生结瘤固氮，为植物提供生长所需的氮源。共生关系的建立需要根瘤菌和豆科植物之间复杂的信息交流，两者间的信息交流在豆科植物种子萌发时就已经开始了。种子萌发时产生大量的营养物质，包括糖类、氨基酸类的小分子物质，可以诱导土壤中细菌的趋化作用。
　　根瘤菌在豆科植物根部形成侵入线并最终结瘤固氮的过程是目前研究的热点，根瘤菌中大量基因的表达或抑制是这一过程所必须的。但对于根瘤菌和豆科植物互作初期的研究却很少，特别是在根瘤菌吸附在根部之前的过程。本文旨在研究甘草在萌发时对天山根瘤菌基因表达的影响。
　　在琼脂平板中添加不同浓度的甘草种子分泌物来模拟萌发时种子周围的化学环境。通过转座子插入的方法，筛选得到5株转座子插入可被甘草种子分泌稳定诱导的突变株（MsiA，B，C，D，E），其中MsiA可以被甘草种子分泌物诱导50倍。随机引物PCR（Arbitrary PCR）方法证明MsiA中转座子插入的基因属于LysE家族。
　　甘草种子分泌物对MsiA的诱导作用需要MsiA上游基因msiR，MsiR属于LysR调控蛋白家族。对于甘草种子分泌物中的有效成分进行质普测定，发现能诱导MsiA基因表达的物质为刀豆氨酸。刀豆氨酸是精氨酸的类似物，可以竞争性地掺入氨基酸序列中，形成无功能蛋白，最终导致细菌的死亡，是一种抗菌物。精氨酸和赖氨酸可以诱导大肠杆菌(Escherichia coli)和谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)中LysE基因的表达，但是不能诱导MsiA基因的表达。
　　在体外酵母粉含量低于0.005％(W/V)的情况下，刀豆氨酸对msiA或msiR缺失突变株的毒性要比野生型高近一万倍。检测不同突变株胞内刀豆氨酸浓度发现msiA和msiR缺失突变株胞内刀豆氨酸的浓度要高于野生型，间接说明MsiA的功能是将胞内的刀豆氨酸运输到胞外，将胞内刀豆氨酸的浓度维持在对菌体无害的水平。根毛吸附实验发现msiA突变株在甘草根毛上的吸附量要比野生型低100倍。
　　从甘草根部取得根际土，分离细菌并对其对刀豆氨酸的耐受性进行检测，发现甘草根际土壤菌群中耐受刀豆氨酸菌株数(NCR)与刀豆氨酸敏感菌株数(NCS)的比值（NCR/NCS）比空白土样中的高八倍。这说明，甘草分泌的刀豆氨酸对其根际菌群具有一定的筛选作用。
　　天山根瘤菌MsiAR系统和其宿主甘草种子萌发初期互作模型:在甘草萌发初期，种子和植株分泌的抗菌物质刀豆氨酸对根际菌群进行一次初步筛选，杀死植株周围可能的有害细菌;而MsiAR系统的存在使得天山根瘤菌可以在甘草根际选择性的环境下继续繁殖，成为优势菌群，为后来的结瘤共生提供有力条件。

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作者
蔡韬;
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作者单位

南京农业大学;

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授予单位南京农业大学;
学科微生物学
授予学位博士
导师姓名朱军;
年度 2010
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 Q939.114;S567.71;
关键词
氨基酸; 天山根瘤菌; MsiAR; 刀豆氨酸; 甘草; 信号交流; 生态学作用; 基因表达;

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