豆类根瘤发育中的信号物质研究-34页PPT课件

1、豆科根瘤分子细胞生物学（一）（豆科根瘤发育中的信号物质研究进展）焦成瑾2019. 12. 06光合作用与生物固氮是自然给予人类的两大贡献，它们分别提供了植物生长的碳源和氮源，从而提供了人类社会发展的最基础的物质条件，是农业生物学最基础的研究课题。生物固氮是指由固氮微生物将氮气转化为氨的过程。2019年联合国粮农组织（FAO）粗略估计，全球每年由生物固定的氮量近 2106 t，约占全球植物需氮量的3/4。1 无机态氮，即铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）。2 有机态氮，如尿素等。这些氮素的来源？植物所能利用的氮素1 生物固氮（占90）2 工业固氮（生产氮素化肥）3 高能固氮（闪电） 大气中的

2、氮气可通过下面途径被“固定”自 然 界 氮 素 循 环工业固氮高能固氮生物固氮有机氮合成及转化氨化作用硝化作用反硝化作用O2不足硝化细菌反硝化细菌亚硝酸盐生物体有机酸NO3-NH4+NO2-NON2O大气N2同化作用氨化作用硝化作用硝化作用反硝化作用生物固氮同化作用还原作用氮循环生 物 固 氮（固氮微生物）1 共生固氮 如根瘤菌与豆科植物； 2 联合固氮 如放线菌与非豆科植物。 3 自生固氮 如圆褐固氮菌（好氧）； 梭菌（厌氧）。共 生 固 氮自然界有豆科植物19700种，其中已知可以结瘤固氮的有2800种，占15，而对其共生固氮体系进行过研究的只占0.5。豆类植物根瘤形成的主要过程一 豆类植

3、物根分泌黄酮类物质二 根瘤菌分泌结瘤因子三 豆类植物与根瘤菌的相互识别四 豆类植物对根瘤菌的反应五 根瘤发育六 根瘤成熟并开始固氮豆类植物根瘤形成的主要过程图解根毛根瘤菌侵入线已侵入的 根瘤菌根瘤一 豆类植物根分泌黄酮类物质1 促进根瘤菌生长2 对根瘤菌的趋化作用3 对根瘤菌结瘤基因的诱导4 在根瘤发育与固氮中的作用5 环境因素对黄酮类物质分泌的影响常见豆类诱导结瘤的黄酮类物质豆类植物根瘤菌黄酮类诱导剂大豆慢生菌大豆黄素金雀异黄酮快生菌伞形酮三叶草三叶草根瘤菌4,7-二羟基黄酮苜蓿苜蓿根瘤菌木犀草素（种子）4,7-二羟基黄酮豌豆豌豆根瘤菌橙皮素二 根瘤菌分泌结瘤因子1 结瘤因子的结构2 结瘤因

4、子的合成3 结瘤因子的功能1 结 瘤 因 子 的 结 构 根瘤菌分泌的脂酰几丁质寡聚糖（LCO)（即脂酰基-N-乙酰葡糖胺寡聚物）。 NodC（聚乙酰氨基葡糖合成酶）NodF、E（酰基载体蛋白、 酮脂酰合成酶）NodB（脱乙酰酶）NodL（乙酰转移酶）NodM（葡萄糖胺合成酶）NodH(磺基转移酶）NodP(硫酸化酶）NodQ( APS激酶）还原端非还原端2 结瘤因子的合成及结瘤基因结瘤因子由黄酮类物质诱导根瘤菌的结瘤基因表达而最终合成。1）共同结瘤基因2）结瘤调节基因3）宿主专一性基因4）其它结瘤基因1）共同结瘤基因nodA、B、C 是根瘤菌中最保守的基因，即在不同的根瘤菌中同源性很 高，功

5、能上可以在不同根瘤菌之间相互交换而不改变其宿 主范围，一种根瘤菌的基因突变可以被其它根瘤菌的相应 基因所互补。nodABC 在基因组内是紧密连在一起的，位于同一操纵子的3个阅读框架 中，转录方向一致。nodA 酰基转移酶，将长链脂肪酯连接到聚乙酰氨基葡糖分子非还原端。nodB 脱乙酰酶，催化聚乙酰氨基葡糖分子非还原端脱乙酰基反应。nodC 表达的蛋白NodC位于膜上，与聚乙酰氨基葡糖合成酶高度同源， 在N 乙酰葡萄糖胺之间形成-1,4糖苷键所必需。2）结 瘤 调 节 基 因nodD是结瘤正调节基因，在根瘤菌中普遍存在，它的表达是组成型的，其蛋白在根际与特定的黄酮类物质结合后可以激活nodABC

6、及其它一系列结瘤基因的表达。在nodABC的上游区，有一段高度保守的序列，称为结瘤盒（nod-box）, 大约25-50bp，不同根瘤菌此序列长短不一，是一段调节序列，为结瘤基因转录激活所必需， nodD的产物NodD蛋白的N末端就结合在一这位置，而其C末端与特异的黄酮类化合物结合。nodD在不同的根瘤菌中拷贝数不同，在多数根瘤菌中只有一个，但有些为3，甚至5个。由于NodD蛋白与特定的黄酮类物质结合后，才能激活相应的结瘤基因，所以nodD在一定程度上决定根瘤菌的宿主专一性。3）宿主专一性基因不同的根瘤菌此类基因不同，基因种类也不完全一样，它们中大部分在根瘤种内功能是保守的，可以互补，种间功能

7、不能互补。其功能是影响根瘤的结瘤速率一数量，更主要的是影响宿主专一性，它们的突变，会引起宿主专一性的丧失或扩大宿主范围。如nodE、F、G、H、P、Q、M、N、L、I等。它们中有些与结瘤因子侧链的化学修饰有关，有些其功能目前仍不确定。4）其 它 结 瘤 基 因根瘤菌在侵染宿主根毛细胞时，必须能被根毛细胞所识别，因此有许多基因决定其细胞表面组分的合成，它们包括合成根瘤菌胞外多糖的exo基因，脂多糖的lps基因，合成荚膜多糖、K抗原和-1, 2-葡聚糖的ndv基因。上述基因的突变将不同程度扰乱根瘤菌的侵染过程。3 结瘤因子的功能 参见：豆类植物对根瘤菌的反应 结瘤因子除了能引起宿主根毛细胞产生反应

8、 外，还能对非豆类植物产生多方面的生理效 应。三 豆类植物与根瘤菌的相互识别1 宿主根毛细胞表面多糖与根瘤菌表面多糖之间相互识别2 宿主根毛细胞膜上结瘤因子的受体与结瘤因子的结合相互识别1 植物凝集素（phytohaemoglutinins,即lectins)：很可能与这一识别有关。由于凝集素是多价的，它可以介导宿主根毛表面与根瘤菌细胞表面的结合。存在于根瘤菌表面的植物凝集素受体是一种脂多糖（可能是荚膜中的一种成分），称为O抗原。2 结瘤因子受体：最近人们发现了NFR5、NFR1和NORK三种结瘤因子受体，它们均属激酶类受体，前两者主要在结瘤早期起作用，而第三可引发结瘤因子信号的级联放大。四

9、豆类植物对根瘤菌的反应1 根毛变形2 根毛质膜去极化3 根毛细胞中Ca2+的振荡4 根毛细胞中H+浓度的变化5 根毛细胞中肌动蛋白纤丝的重组6 根毛中根瘤菌侵染线的形成及延伸7 根皮层细胞的重新分裂形成瘤状组织8 根毛细胞中结瘤素基因的表达6 根毛中根瘤菌侵染线的形成及延伸（一）根毛末端细胞壁在根瘤菌的影响下内陷，根瘤菌随之进入，后被局限在侵染线内。侵染线是宿主细胞分泌的纤维素物质包围根瘤菌所形成的一种管状结构，管壁与根细胞壁类似，通常在侵入发生几小时后就出现。侵染线的形成与延伸可视为是一种侵染与防御排斥相平衡的结构。在一些不平衡的例子中，可以看到或者是根瘤菌自由地在根毛细胞内泳动，或者是在根

10、瘤菌开始繁殖之前侵染线就被宿主细胞沉积的细胞壁物质所阻断。侵染线形成后，随着根瘤菌的分裂，不断向根毛基部延伸，到达根毛细胞基部的细胞壁时，在根瘤菌分泌的果胶酶的作用下，侵染线壁与细胞壁连接起来，穿过表皮细胞向根内推进。当侵染线抵达皮层的36层细胞时，处在前方靠近内皮层的细胞被刺激开始分裂，分化成根瘤分生组织。随着根瘤分生组织的不断分裂，根瘤不断长大，在根的表面出现突起。不断增大的根瘤其细胞分化为外层同时侵染线会在皮层细胞内分支，这样更多的皮层细胞被侵染。在侵染线生长过程中，根瘤菌不断产生生长素。侵染线内的根瘤菌多呈短杆状，成单行或数行排列。并被自己分泌的粘多糖包围，侵染线停止生长后 ，侵染线的

11、壁为宿主皮层细胞分泌的纤维素酶所溶解，根瘤菌则被释放进入宿主细胞中，116个细菌共同包在外膜中，这时根瘤菌脱去外壁分化为类菌体，才开始固氮。而宿主细胞丧失分生能力，由邻近皮 层细胞分裂形成分生组织。6 根毛中根瘤菌侵染线的形成及延伸（二）对于无限根瘤来说，侵染线中释放出根瘤菌后，这些细胞中的根瘤菌分化成类菌体形态并开始固氮。邻近的分生组织不断分裂，瘤组织变大，逐渐穿过皮层向外长出；侵染线随之也折转方向由内向外延伸，侵染新生成的瘤组织细胞。这一过程一直进行到根瘤从根上长出相当长时间后才停止。时间长短随种类不同而异。有限型根瘤，根瘤的分生组织通常是短命的，瘤内被感染细胞的老幼差别不显著，根瘤寿命一

12、般短于无限型根瘤。五 根瘤发育根瘤的发育起始于主根靠根毛附近的皮层细胞分裂，而这一过程的触发最终源于宿主细胞对结瘤因子等信号物质的感知，然而根瘤本身是一个完整的器官，如无限型根瘤（豌豆根瘤）主要结构有： 根瘤表皮和皮层；分生组织（有限型无分生组织，如大豆根瘤） ； 感染区（包括早期共生区、成熟区和衰败区）； 维管束； 细胞间隙；因此，根瘤的发育除了受结瘤因子的作用外，必然涉及多种植物激素的共同调节。 植 物 激 素 对 根 瘤 发 育 的 影 响1 生长素：对根瘤的发育有双重调节作用。根瘤发育起始，根中生长素的含量很低，有利于根瘤原基的形成，而之后其含量会升高这样可以抑制其它根瘤原基的形成。2 细胞分裂素：已经检测到豌豆幼龄根瘤和发育中的根瘤含有较高的细胞分裂素，而成熟的根瘤中其含量很低。人们推测这种含量的差异可能是结瘤因子影响的结果。3 乙烯和脱落酸均可抑制根瘤的形成，从而可以控