根瘤菌在植物内的迁移运动及其与植物相互作用的蛋白质组学研究

根瘤菌不但可以在豆科植物的根部形成共生固氮的根瘤，而且还可以在自然条件下与重要的谷类作物的根形成内生的联合作用。尽管内生菌在植物中广泛存在，但是关于根瘤菌在植物根内的定殖方式还有许多未知。根瘤菌作为内生菌与水稻相互作用的分子机制目前还不清楚。本研究应用显微镜观察、分子生物学和蛋白质组学的研究技术，对内生根瘤菌与植物相互作用，并促进生长的机制进行了探索。 我们用带有gfp标记的根瘤菌分别接种非豆科植物水稻、烟草和豆科植物，应用激光共聚焦显微镜和平板分离，检测其在健康植物组织内的侵染、定殖和分布过程及其对植物生长生理的影响。结果表明： 1．根瘤菌对水稻的侵染是一个动态的过程，它开始于根际表面的定殖，然后从根的裂隙进入根内，向上迁移到叶鞘和叶部分，并且发展为较高的群体密度。水稻接种不同种类的根瘤菌，显著增加了根和地上部分的生物量，提高了光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率和旗叶的叶面积，并且在植物体内积累了更高浓度的植物激素（生长素和赤霉素）。 2．根瘤菌同样可以在烟草体内由根部向植物地上部分的茎、叶迁移，并从叶的气孔溢出到叶的表面，具有附生－内生－附生生活方式的转换。同时，根瘤菌还可以沿植物的表面从根到地上部分迁移。在植物的生殖生长阶段，内生根瘤菌仍然保持活动性，可以进入烟草子房的子房壁、胎座和胚珠内，暗示根瘤菌通过种子向子代垂直传播的可能性。 3．根瘤菌与豆科植物形成共生固氮根瘤的同时，还可以以内生菌的生态方式定殖于豆科植物中，同样有类似于水稻、烟草的方式在体内由根向地上部分迁移。这种定殖和迁移与根瘤菌胞外多糖和鞭毛的有和无没有关系。 内生根瘤菌促进植物生长的原因是人们一直关心的问题。将根瘤菌固氮正调控基因nifA的启动子与gfp基因构建成融合质粒，设计其他nif相关基因的引物，对有内生根瘤菌的水稻和豆科植物的RNA，进行RT-PCR，表明，虽然定殖于豆科植物体内的内生根瘤菌nifA基因有表达，但是其他的nif基因不表达，因而内生根瘤菌对植物的促生作用不是固氮作用的结果。 我们还用蛋白质组学的方法，分析了Sinorhizobium meliloti 1021和Azorhizobium caulinodans ORS 571接种水稻根部后的植物根、叶鞘和叶组织的蛋白质表达的差异变化。结果表明Sinorhizobium meliloti 1021接种水稻引起的差异蛋白在根内有21个，叶鞘内有19个，叶内有12个;Azorhizobium caulinodans ORS 571接种水稻引起的差异蛋白在根内有7个，叶鞘内有 8个，叶内有8个。蛋白功能的归类中有防卫反应、光合作用、植物生长素、碳和能量代谢及氮代谢相关蛋白的变化。特别是光合作用、植物生长素等相关蛋白的表达，与生理测定光合作用和生长素有提高是一致的，为内生根瘤菌促进水稻生长提供了一个方面的分子证据。 综上所述，表明内生根瘤菌和植物的联合作用比以前所认识的更为复杂，更具有侵染力和动态性。因此，本研究提高了人们对根瘤菌的新认识，不仅与豆科植物根部结瘤，进行共生固氮，而且以内生菌与水稻等植物联合，提高光合作用和生长素含量，促进生长，从另一个方面补充了根瘤菌对植物的有益作用，为根瘤菌作为广谱生物肥料的发展策略奠定分子基础，对可持续农业有重要意义。