根瘤菌是一類廣泛分布于土壤中的革蘭氏陰性細菌，能與豆科植物形成高度轉化的共生關系，侵染豆科植物根部形成根瘤，進而固定空氣中的分子態氮形成能被植物利用的有機氮；同時，根瘤菌從宿主植物中獲取所需的光合產物。根瘤菌每年固定的純氮約為4000萬噸，約占整個農業體系生物固氮總量的65%，研究根瘤菌-豆科植物共生固氮體系及機理對農業的可持續性發展至關重要。近年，得益于高通量DNA測序，大量根瘤菌的完整基因組得以迅速發表，但對關鍵基因的功能分析驗證工作仍然滯后。
本研究運用Mariner轉座子插入測序技術（INSeq）分析了根瘤菌-豆科植物共生過程中的連續生活方式階段，首次明確了根瘤菌在根際生長、根系定殖、侵染根毛細胞、形成根瘤、分化成固氮類菌體和從根瘤中釋放各個階段的必需基因。雖然只有27個基因被注釋為固氮基因（nif和fix），但研究人員發現有603個基因區域是豌豆結瘤和固氮過程中的必需基因。其中，146個基因為根際生長到類菌體發育階段的必需基因，這些基因凸顯了根際環境中的成功競爭對后期侵染及結瘤的重要性；此外，211個基因為結瘤和類菌體階段的特異基因，主要為菌體運動、細胞膜重組、結瘤信號轉導、固氮和代謝適應（包括尿素、赤蘚糖醇和醛代謝、糖原合成、二元酸代謝和谷氨酰胺GlnII合成）等功能相關基因。研究結果強調了根瘤菌與宿主豆科植物共生的多個階段競爭的重要性，為深入了解兩者間互作機理奠定了理論基礎。
相關成果以“Lifestyle adaptations of Rhizobium from rhizosphere to symbiosis”為題發表在國際學術期刊PNAS上（論文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2020/09/04/2009094117）。
英國牛津大學植物系Philip Poole教授團隊及中國科學院植物種質創新與特色農業重點實驗室、武漢植物園為論文共同完成單位，武漢植物園獼猴桃種質資源與育種學科組李黎副研究員為論文的共同第一作者。該研究得到國家公派留學基金項目資助。
圖1 Rlv3841菌株與豆科植物共生不同階段的必需基因
