慢生根瘤菌属结瘤基因的进化及遗传分析

根瘤菌中存在一系列控制固氮结瘤因子(lipo-chito-oligosaccharides)合成的结瘤基因(nodulation genes)。其中, nodA基因是合成结瘤因子所必需的, 该基因负责酰基转移酶的合成, 能将不饱和脂肪酸转移到结瘤因子寡聚糖骨架上; 基因nodZ, nolL和noeI为宿主专一性结瘤基因, 分别转

HEREDITAS (Beijing)

2007年1月, 29(1): 118―126 ISSN 0253-9772 http://

研究报告

DOI: 10.1360/yc-007-0118

慢生根瘤菌属结瘤基因的进化及遗传分析

侯卫国1, 连宾1,2

1. 江苏省生物多样性与生物技术重点实验室, 南京 210097;

2. 南京师范大学生命科学学院微生物工程重点实验室, 南京 210097

摘要: 根瘤菌中存在一系列控制固氮结瘤因子(lipo-chito-oligosaccharides)合成的结瘤基因(nodulation genes)。其中, nodA基因是合成结瘤因子所必需的, 该基因负责酰基转移酶的合成, 能将不饱和脂肪酸转移到结瘤因子寡聚糖骨架上; 基因nodZ, nolL和noeI为宿主专一性结瘤基因, 分别转录合成岩藻糖基转移酶, 岩藻糖乙酰化酶和岩藻糖甲基化酶。通过GenBank调取慢生根瘤菌属及其他根瘤菌属的结瘤基因nodA, nodZ, nolL和noeI, 构建系统发育树, 进行进化和遗传分析。结果表明, 慢生根瘤菌属各个菌株的nodA, nodZ, nolL和noeI具有很高的相关性, 但是与根据保守基因16S rDNA和dnaK分类情况不完全相符。这表明慢生根瘤菌属的结瘤基因主要是通过直系遗传的, 同时可能为适应宿主及环境条件, 结瘤基因有少量的平行转移。结果表明, 慢生根瘤菌属各个菌株的nodA, nodZ, nolL和noeI具有很高的同源性, 同时发现基于保守基因16S rDNA和dnaK对慢生根瘤菌的分类情况与慢生根瘤菌属各菌株在nodA, nodZ, nolL和noeI具有较高同源性的事实不完全相符。这表明慢生根瘤菌属的结瘤基因主要是通过直系遗传的, 同时可能为适应宿主及环境条件, 结瘤基因有少量的平行转移。 关键词: 慢生根瘤菌属; 进化; 遗传分析; 结瘤基因; 16S rDNA; dnaK

Phylogenetic and genetic analysis of symbiotic nodulation genes within the Bradyrhizobium

HOU Wei-Guo1, LIAN Bin1,2

1. Jiangsu Key laboratory for Biopersity and Biotechnology, Nanjing 210097, China;

2. Key Laboratory of Microbial Engineering, College of Life Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China

Abstract: Symbiotic nitrogen fixing bacteria-known as rhizobia-harbour a set of nodulation (nod) genes that control the

synthesis of modified lipo-chitooligosaccharides, called Nod factors that are required for legume nodulation. The nodA gene, which is essential for symbiosis, is responsible for the attachment of the fatty acid group to the oligosaccharide backbone. The nodZ, nolL, and noeI genes are involved in specific modifications of Nod factors common to bradyrhizobia, i.e., the transfer of a fucosyl group on the Nod factor core, fucose acetylation and fucose methylation, respectively. The distribution of the nodZ, nolL, and noeI genes in the studied strains was found to correlate with the nodA tree topology. Moreover, the nodA, nodZ, and noeI phylogenies were largely congruent, but did not closely follow the taxonomy of the strains shown by the housekeeping 16S rRNA and dnaK genes. Additionally, the distribution of nodZ, noeI, and nolL genes suggested that their presence may be related to the requirements of their legume hosts. These data indicated that the spread and mainte-nance of nodulation genes within the Bradyrhizobium genus occurred through vertical transmission, although lateral gene

收稿日期: 2006-04-11; 修回日期: 2006-06-27

基金项目: 江苏省高校产业化项目(编号: JHB04-017)和南京师范大学人才引进科研基金(编号: 184070H2B39)资助[Supported by the Funds for Attracting Talents of Nanjing Normal University (No. 184070H2B39) and the University Industrialization Item of Jiangsu Province (No. JHB04-017)]

作者简介: 侯卫国(1981—), 男, 江苏宿迁人, 硕士研究生, 专业方向: 土壤微生物。Tel: 025-8398595; E-mail: haital@http://

通讯作者:连宾(1964—), 男, 安徽凤阳人, 博士, 教授, 研究方向: 环境及地质微生物。Tel: 025-8398595; E-mail: bin2368@http://

根瘤菌中存在一系列控制固氮结瘤因子(lipo-chito-oligosaccharides)合成的结瘤基因(nodulation genes)。其中, nodA基因是合成结瘤因子所必需的, 该基因负责酰基转移酶的合成, 能将不饱和脂肪酸转移到结瘤因子寡聚糖骨架上; 基因nodZ, nolL和noeI为宿主专一性结瘤基因, 分别转

第1期

侯卫国等: 慢生根瘤菌属结瘤基因的进化及遗传分析 119

transfer also played a significant role.

Keywords: Bradyrhizobium; evolution; genetic analysis; Nod genes; 16S rDNA; dnaK

根瘤菌是能与豆科植物形成固氮共生体的一类土壤细菌。根据16S rDNA分类, 根瘤菌分属α原核亚纲的4个分枝, 即: 根瘤菌属-华氏根瘤菌属; 慢生根瘤菌属; 固氮菌属; 甲基杆菌属。最近的研究发现β原核亚纲中的某些细菌也可以与植物形成根瘤, 从而引起了人们对根瘤菌分类认识的显著改变。

根瘤菌(包括某些β原核亚纲细菌)的结瘤需由大量的基因参与, 其中结瘤基因(包括nod, nol和noe基因)共同合成一种叫结瘤因子(nod factor)的脂寡聚糖(lipo-chito-oligosaccharides, LCOs)。结瘤因子具有特异的结构, 是决定根瘤菌宿主范围的关键信号分子, 可以诱导根毛变形和皮层细胞分裂[4,5]。其具有3~5个β-1,4-糖苷键连接的N-乙酰葡萄糖胺骨架和非还原性末端糖的N-脂酰基。共同结瘤基因nodC、nodB和nodA控制结瘤因子基本骨架结构的合成, NodC是N-乙酰葡萄糖胺转移酶, 合成LCOs骨架; NodB脱乙酰酶, 可将LCOs非还原端N-乙酰葡萄糖胺去乙酰化; NodA是酰基转移酶, 催化长链酰基转移至氨基葡萄糖的氮原子上。不同来源的NodA特异性识别不同的不饱和脂肪酸, 因而对根瘤菌宿主范围的确定起重要作用

。LCOs骨架可以被各种

不同的化学基团修饰[10], 这些基团是由宿主专一性基因(host specific-hsn-nodulation genes)控制合成的。在所有已被研究过的慢生根瘤菌属的细菌中, 其结瘤因子均有岩藻糖或岩藻糖衍生物取代基团[11~13], 这说明岩藻糖基化可能是这个属的特征。岩藻糖 基的转移是由nodZ基因控制的[14~16], 岩藻糖的甲 基化和乙酰化分别是由noeI和nolL两个基因控制 的

。

Turner和Hirsch等[19,20]

认为在豆科植物出现以

前, 根瘤菌的各个区系就已出现分化, 只有一个类群的细菌获得了结瘤能力, 这些细菌的共生基因有可能在不同的种属细菌之间进行平行转移。这个假设已得到许多数据的支持。此外, 根瘤菌还整合了除共生所必需的共同基因nodDABC外的其他结瘤基因, 并且引起了LCOs结构和宿主范围的分化,而基因水平转移和基因重组促进了根瘤菌的进化以及共生能力的传播[25]。

分类研究表明慢生根瘤菌属内的基因多样性程

度很高。…… 此处隐藏：19738字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……