PNAS | 加拿大麦克马斯特大学研究揭示根瘤菌共生所需的最小基因集！

现代农业依赖于每年施用大量的氮肥，这些氮肥是通过Haber–Bosch过程中的化学固定N2获得的。更具可持续性的农业系统利用生物固氮技术，特别是称为根瘤菌的固氮细菌与豆科植物之间的共生关系（Science | 重磅！剑桥大学Giles Oldroyd课题组阐述植物通过共生微生物促进养分吸收！Nature | 突破！中科院植生所王二涛团队揭示豆科植物与根瘤菌共生固氮的关键模块！Science | 重磅研究揭示植物如何区分有益和有害微生物！Science | 专家点评：豆科植物结瘤共生的特异性；Nature Communications | 新颖而独特的植物碳水化合物受体）。共生固氮（SNF）研究的长期目标是通过改善根瘤菌或通过将非豆科植物的共生关系工程化来优化其在农业中的使用。在豆类根瘤中将氮气还原为氨是可持续农业系统的关键组成部分。根瘤是豆科植物与被称为根瘤菌的细菌共生的结果。这两个共生伙伴在建立成功的共生和固氮过程中都发挥着积极作用：虽然根瘤的发育主要受植物控制，但根瘤菌一旦在植物细胞内就诱导了根瘤的形成，侵入并进行了N2固定。已知许多与根瘤菌-豆科植物共生有关的细菌基因，因此，对共生进行工程改造以包括主要的非豆类作物（例如玉米，小麦和水稻）非常感兴趣（PNAS | 英国牛津大学最新研究揭示根瘤菌从根际到共生的生活方式适应机制！ISME | 解读大豆根际微生物群落变化与根瘤菌共生效率的关系！Nucleic Acids Research | 植物系统发育蛋白质组揭示了自噬在结瘤共生中的作用！）。

近日，国际权威学术期刊PNAS发表了加拿大麦克马斯特大学Turlough M. Finan团队的相关研究，题为Minimal gene set from Sinorhizobium (Ensifer) meliloti pSymA required for efficient symbiosis with Medicago，本研究使用模式根瘤菌Sinorhizobium（Ensifer）meliloti，建立了有效的SNF只需要来自1.35-Mb pSymA巨型质粒的58个基因。这个最小的SNF基因集和遗传平台，对优化根瘤菌接种剂并将共生能力转移到新背景的工程方法具有重要意义。

科研人员试图确定并结合共生所必需且充分的最小细菌基因补体。科研人员使用其中删除了1.35-Mb共生巨型质粒pSymA的背景菌株，分析了模式根瘤菌Sinorhizobium（Ensifer）meliloti。代表162 kb pSymA的三个区域足以恢复与苜蓿N2固定的共生，并且该基因补体的靶向组装实现了高水平的共生N2固定。所得的基因组仅包含1,290个pSymA蛋白编码基因中的58个。为了生成将来进行合成操作的平台，将最小的共生基因集重组为三个离散的nod，nif和fix模块。这些构建体将促进针对共生关系扩展到其他植物伙伴的定向研究。它们还可以采用前向型方法来鉴定对共生而言并非必不可少的遗传成分，但这些基因成分可调节根瘤菌的结瘤竞争力以及特定的根瘤菌-植物共生的有效性。

图1. 最小共生基因组minSymA1.0的分离

图2. 通过酵母重组组装的minSymA2.0和minSymA2.1的共生表型

图3. 最小共生基因组的功能化和简化

图4. minSymA3.3模块和NGR234 nod基因嵌合体的共生表型

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