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NUCLEIC ACIDS RES | 田长富课题组揭示共生基因与根瘤菌底盘适配关键机制
发布日期:2022-08-05 浏览次数:  信息来源:太阳集团城娱8722

84日,《核酸研究》(Nucleic Acids Research)在线发表了根瘤菌研究团队田长富教授课题组的研究论文:趋同演化的外源基因沉默蛋白MucR使α-变形菌易于整合AT共生基因(The convergent xenogeneic silencer MucR predisposes α-proteobacteria to integrate AT-rich symbiosis genes)。该研究针对广宿主费氏中华根瘤菌(Sinorhizobium fredii),发现α-变形菌保守的锌指蛋白MucR具备寡聚化和桥连DNA等拟核结合外源基因沉默蛋白的趋同演化特征和功能;来自γ-形菌纲和革兰氏阳性菌的非同源外源基因沉默蛋白或其相关结构域,能够替代 MucR 或其相关结构域实现共生基因在根瘤菌基因组中的高效适配。

在自然和农业生态系统中,根瘤菌-豆科植物互利共生固氮体系是效率最高的生物固氮类型。目前国际上已报道两百余个根瘤菌物种,如此高的根瘤菌物种多样性主要是由于结瘤固氮基因在土壤细菌之间的频繁水平转移。但是,获得结瘤固氮基因并不能保证受体细菌获得高效结瘤固氮能力,这是农业生产上根瘤菌菌株间结瘤固氮效率差异的主要原因。所以,结瘤固氮基因与底盘基因组的适配机制是根瘤菌生物学领域的核心科学问题。

田长富教授课题组前期研究发现:广宿主费氏中华根瘤菌的锌指转录因子MucR突变后,大豆形成更多根瘤,但不能有效固氮(MPMI 2016)MucRα-变形菌纲的持家蛋白在演化历史中发生过多次独立的基因复制与水平基因转移(Comput Struct Biotech J 2020)MucR主要靶向富含ATDNA序列直接调控多个共生和环境适应性功能基因模块(ISME J 2022) —— MucR靶向T3SS及其效应蛋白NopP编码基因,后者调控共生匹配性 (ISME J 2018mSystems 2021)MucR靶向高亲和钾离子吸收系统及其上游调控线路PTSNtr-KdpDE的编码基因,该线路调控结瘤效率 (mBio 2022a)MucR靶向有功能的二鸟苷酸环化酶编码基因,抑制依赖c-di-GMP的高耗能过程在根瘤中的启动,维持固氮效率 (mBio 2021)MucR直接正调控铁代谢转录因子RirA编码基因的转录RirA直接负调控水平转移而来的铁载体合成与吸收通路的转录,防止根瘤铁过载及共生体的过早裂解,维持固氮效率 (mBio 2022b)这些前期研究表明MucR是结瘤固氮功能与根瘤菌底盘高效适配的关键调控因子,但是MucR发挥作用的分子机制尚不清楚。

MucR具有拟核结合外源基因沉默蛋白的趋同演化特征(寡聚化和桥连DNA)


在前期基础上,该研究利用定点突变、酵母双杂交、蛋白体外交联实验等发现MucR蛋白N演化保守的氨基酸及其间隔长度,使得MucR通过N端自身互作形成二聚体和寡聚体;靶DNA的存在能促进MucR自身互作。利用体内蛋白稳定性检测、RT-qPCR、免疫印迹、体外凝胶阻滞和DNA桥连实验发现MucR 通过N端介导的自身互作是其维持蛋白稳定性,发挥转录抑制功能和桥连DNA所必需的。利用体外凝胶阻滞实验检测了DNA随机探针和不同AT含量探针与MucR的互作水平,发现MucR偏好高ATDNA探针,但没有显著的基序偏好性。这些证据表明:虽然不具有蛋白序列同源性,MucR具有已知拟核结合外源基因沉默蛋白(H-NS, MvaT, Lsr2Rok)的趋同演化特征(寡聚化,桥连DNA,偏好富含ATDNA)。但是MucR能同时结合DNA双螺旋的大沟和小沟,这不同于已知外源基因沉默蛋白。

MucR与非同源拟核结合外源基因沉默蛋白的功能回补

该研究进一步利用遗传学交叉回补实验和ChIP-seq等发现:趋同演化的其它拟核结合外源基因沉默蛋白(大肠杆菌的H-NS或结核分枝杆菌的Lsr2)或其相关结构域能完全或部分替代MucR及其对应结构域在共生互作中的作用,它们在根瘤菌底盘中有类似的靶序列图谱——共同靶向一系列参与共生和环境适应的功能基因模块;MucRLsr2能回补大肠杆菌H-NS缺失突变株的溶血性表型。这些结果表明趋同演化的拟核结合外源基因沉默蛋白是调控共生功能基因模块与根瘤菌底盘适配性的关键因子,同时也为α变形菌纲的其它共生或致病细菌的相关研究以及人工广谱高效根瘤菌的合成生物学创制提供了重要参考依据。

根瘤菌研究团队田长富教授为主要通讯作者,焦健副教授为共同通讯作者,石文涛博士为第一作者,已毕业博士研究生张碧亮、李梦琳和刘克寒为共同作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、农业生物技术国家重点实验室自主研究课题、太阳集团tcy8722“2115人才培育发展支持计划”(青年科学家创新团队和青年新星B)等项目的支持。

论文链接:https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac664/6655590

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