滨海耐盐豆科植物合萌根瘤菌多样性及演化历史研究
张振鹏
学位类型博士
2020-05-24
学位授予单位中国科学院烟台海岸带研究所
学位授予地点中国科学院烟台海岸带研究所
学位名称理学博士
关键词合萌根瘤菌系统发育分析演化比较基因组
摘要滨海盐碱地具有较高的农业发展潜力，但受水盐条件限制，只有少数耐盐植物能生长，经济价值较低。滨海耐盐豆科植物-根瘤菌共生体系应用于盐碱地改良，在实现降盐的同时，还能显著提高土壤肥力。本研究对滨海盐碱地豆科植物合萌根瘤菌进行多样性研究，利用比较基因组手段分析其演化历史，在扩充根瘤菌种质资源、加深对根瘤菌遗传发育历史的理解以及改良滨海盐碱地方面具有重要意义。 合萌是一种半水栖的豆科植物，能与根瘤菌形成根瘤和茎瘤。本研究从山东半岛4个地点，共采集、分离了300株合萌根瘤菌。根据recA基因序列筛选出19个代表性菌株。对代表菌株进行16S rRNA基因系统发育分析，确定合萌根瘤菌属于Bradyrhizobium属。通过多位点序列分析将合萌根瘤菌划分为10个基因种。与世界范围合萌根瘤菌进行比较分析，10个合萌根瘤菌基因种中，6个基因种首次发现。固氮基因nifH和光合基因pufLM的系统发育树与持家基因系统发育树高度一致。对合萌根瘤菌中的结瘤基因（nodA、nodB、nodC、nodZ）进行PCR扩增，所有代表菌株均未检测到结瘤基因。19株合萌根瘤菌代表菌株均能与合萌形成根瘤，但只有8株合萌根瘤菌能形成茎瘤。持家基因、nifH基因和pufLM基因的重组突变分析表明，在演化历史中突变是主要的演化动力。中性检测结果表明合萌根瘤菌处于扩张状态，尚有未被发现的种。合萌-根瘤菌共生体系具有一定的耐盐碱能力，盐碱程度较高的样点分离的合萌根瘤菌可耐受3%-4%的盐浓度，合萌-根瘤菌共生体系可在NaCl含量0.9%的环境中生长。 对多样性和丰度较高的Bradyrhizobium sp. VIII四株菌进行多相分类学鉴定。以菌B. oligotrophicum S58T和 B. denitrificans LMG8443T作为参考菌株，通过对供试菌株生理生化指标测定、全基因组ANI值计算和物种树构建，确定四株菌为Bradyrhizobium属的新种。该菌种最适生长温度为38 °C，最适盐浓度为0%-0.5%，最适pH为7。菌体呈杆状，长度约3-4um。具有脲酶、过氧化氢酶活性。对新霉素、甲氧苄氨嘧啶、林可霉素、氧氟沙星、红霉素抗性。唯一碳源、脂肪酸组分、全基因组ANI值和物种树显示，该菌株属于Bradyrhizobium属，但与参考菌株存在明显差异。以83002T为标准菌株，将该种命名为Bradyrhizobium aeschynomene sp. nov。83002T的基因组大小为7.52 Mbp，GC含量为65.42%。 合萌根瘤菌演化历史特殊，在16S rRNA基因、持家基因、固氮基因以及光合基因系统发育树中均形成三个分枝。本研究对合萌根瘤菌基因组和慢生根瘤菌参考基因组进行比较分析，发现合萌根瘤菌存在三种不同的起源方式：第一种起源方式为慢生根瘤菌早期分化，这种方式形成的合萌根瘤菌演化历史悠久，根瘤菌多样性高；第二种起源方式为非共生慢生根瘤菌分化，这种方式形成的合萌根瘤菌多样性较低，具有光合作用相关的基因；第三种起源方式为非合萌共生慢生根瘤菌改造，这种方式形成的合萌根瘤菌在演化历史中发生大量基因组片段缺失并，缺少光合作用相关基因。后两种起源方式形成的合萌根瘤菌多样性低，与慢生根瘤菌参考菌株基因组组分一致性高，是近期分化形成的合萌根瘤菌类群。对合萌根瘤菌基因组和慢生根瘤菌参考菌株基因组进行比较分析，结果表明合萌根瘤菌基因组中普遍缺少结瘤基因和III型分泌系统效应因子编码基因，但固氮基因、光合基因较为保守。合萌根瘤菌基因组中的特有基因，多与病原体侵染相关，这些基因可能为合萌根瘤菌NF-independent结瘤方式的相关基因。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.yic.ac.cnhttp://ir.yic.ac.cn/handle/133337/25220
专题中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文

推荐引用方式
GB/T 7714张振鹏. 滨海耐盐豆科植物合萌根瘤菌多样性及演化历史研究[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 中国科学院烟台海岸带研究所,2020.


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