摩洛哥半干旱生态系统中结瘤染料豆的缓生根瘤菌比较基因组分析：揭示共生多样性与环境适应性新机制

本研究针对摩洛哥高阿特拉斯山脉特有耐旱豆科植物Retama dasycarpa的共生固氮机制尚不明确的问题，通过比较基因组学手段解析了5株缓生根瘤菌（Bradyrhizobium spp.）的遗传特征。研究发现其中4株为潜在新种，菌株RDT46缺乏典型结瘤基因但保留T3SS（III型分泌系统），揭示了NF（Nod因子）非依赖型共生途径的存在。该研究为半干旱地区生态修复提供了高效固氮菌种资源，论文发表于《BMC Genomics》（2025）。

　　

在摩洛哥高阿特拉斯山脉的严酷半干旱环境中，一种名为Retama dasycarpa的豆科植物顽强生长，其秘密武器是与土壤中的缓生根瘤菌（Bradyrhizobium）建立的共生关系。这些微小的固氮工程师能将空气中的氮气转化为植物可吸收的氨，极大提升了贫瘠土壤的肥力。然而，这些默默无闻的土壤英雄其遗传多样性、共生机制及环境适应策略长期以来如同蒙着一层面纱，未被深入揭示。理解这些微观层面的相互作用，对于利用它们修复退化土地、应对日益严峻的干旱挑战具有关键意义。

为了解开这些谜团，穆阿德·拉姆拉贝特（Mouad Lamrabet）和穆斯塔法·米斯巴·伊德里斯（Mustapha Missbah El Idrissi）在《BMC Genomics》上发表了一项研究，对从R. dasycarpa根瘤中分离出的五株缓生根瘤菌进行了深入的比较基因组分析。研究人员采用牛津纳米孔技术（ONT）进行全基因组测序，使用Canu或Flye进行从头组装，并通过NCBI原核基因组注释流程（PGAP）和Prokka进行基因注释。系统基因组学分析基于TYGS（Type Strain Genome Server）平台，利用平均核苷酸一致性（ANI）、数字DNA-DNA杂交（dDDH）和平均氨基酸一致性（AAI）进行物种界定。泛基因组分析使用Anvi'o软件对56个缓生根瘤菌模式菌株基因组进行比较。共生基因（nod, nif, fix, T3SS相关基因）和胁迫适应基因通过多种注释工具交叉验证，并进行功能分类和比较基因组图谱分析。

研究结果

系统基因组学分析

系统发育树证实了所有菌株均属于缓生根瘤菌属。除BA2菌株与B. lupini LLZ14高度相似（ANI 98.4%, dDDH 84.9%）外，其余四株菌（RDI18, RDT10, RDT46, TZ2）与最近模式菌株的ANI（88.1-95.2%）、AAI（87.98-95.86%）和dDDH（32.5-62.1%）值均低于新种划定阈值（~96% ANI/AAI, 70% dDDH），表明它们很可能是缓生根瘤菌属内的新物种。

一般基因组特性

五株菌的基因组大小在6.9至8.9 Mb之间，GC含量在61.7%至64.8%之间，预测蛋白编码基因数量为6,654至8,659个，显示出较大的基因组可塑性和功能多样性。COG（直系同源蛋白簇）功能分类显示，“氨基酸转运与代谢”是占比最高的类别。

泛基因组分析

对包括本研究5株菌在内的56个缓生根瘤菌基因组的分析显示，其泛基因组呈“开放”特征，核心基因组仅占4.36%（2357个基因簇），附属基因组占39.41%（21325个基因簇），菌株特异性基因占56.23%（30430个基因簇）。这反映了该属通过水平基因转移获得大量适应性基因，具有高度的生态可塑性。

共生岛及相关基因分析

所有共生相关基因（结瘤、固氮、T3SS）均位于染色体共生岛上，即使含有质粒的菌株（BA2, RDI18）也是如此。

• •
  结瘤基因（nod/nol genes）：菌株BA2、RDI18、RDT10和TZ2含有丰富的结瘤基因集，包括nodA、nodB、nodC、nodD1、nodI、nodJ、nodS、nodZ等核心基因。然而，菌株RDT46完全缺乏典型的nod基因（如nodABC），仅保留了一个极简的T3SS基因集。
  
• •
  III型分泌系统（T3SS）基因：菌株BA2、RDI18、RDT10和TZ2共享16个核心T3SS相关基因（如sctC1, sctJ, sctN, sctR, nopX等）。菌株RDT46仅含有4个T3SS相关基因（sctU, sctC1, sctC2, fliP）。
  
• •
  固氮基因（nif/fix genes）：所有五株菌均含有一套完整的核心固氮基因（23个），包括结构基因nifH、nifD、nifK，调控基因nifA、fixL、fixJ，以及电子传递相关基因fixN、fixP、fixX和多个铁氧还蛋白基因（fdx）。这表明它们具备高效的固氮能力。
  

分子适应分析

基因组挖掘揭示了五株菌拥有丰富的胁迫响应基因库，共同应对高温、渗透和氧化胁迫等半干旱环境压力。这些基因包括：

• •
  渗透保护剂合成：脯氨酸（proABC）、海藻糖（otsAB, treYZ）和甘氨酸甜菜碱（betAB）合成基因。
• •
  氧化应激响应：超氧化物歧化酶（sodA/B）、过氧化氢酶（katG）、烷基过氧化氢还原酶（ahpC）等基因。
• •
  热激响应：分子伴侣（dnaKJ, grpE, clpB/P/X）和热激蛋白（hspQ）基因。
• •
  DNA修复：重组修复（recA）和切除修复（uvrABC）系统基因。
• •
  调控系统：双组分调控系统（ompR/envZ, cpxA）和通用胁迫蛋白等。
  五株菌共享38个核心胁迫适应基因，同时存在15个附属基因和1个独特基因（RDT10的envZ）。

结论与讨论

本研究深入揭示了与摩洛哥特有植物Retama dasycarpa共生的缓生根瘤菌的基因组多样性、共生机制和环境适应策略。主要结论包括：首先，分离自R. dasycarpa的缓生根瘤菌具有高度的遗传多样性，其中四株菌（RDI18, RDT10, RDT46, TZ2）很可能代表了缓生根瘤菌属内的新物种。其次，研究发现了非典型的共生机制：菌株RDT46虽然缺乏合成Nod因子所必需的典型nod基因，但依然能够成功结瘤，这暗示了可能存在不依赖于Nod因子的替代共生途径，其极简的T3SS可能在其中扮演了角色，或者存在如外多糖介导的识别等其他机制。这挑战了传统上认为Nod因子是根瘤菌-豆科植物共生所必需的观点。第三，所有菌株都拥有完整的固氮基因装置和丰富的胁迫适应基因库，这解释了它们为何能在半干旱的恶劣环境中帮助宿主植物茁壮成长。

这项研究的意义重大。它不仅扩展了我们对缓生根瘤菌物种多样性的认识，更重要的是揭示了一种新的、可能不依赖典型Nod因子的共生模式，为理解根瘤菌-豆科植物共生的进化提供了新的视角。这些具有强大环境适应能力和高效固氮潜力的菌株，作为天然的微生物肥料资源，在摩洛哥乃至全球类似半干旱地区的生态修复、退化土地复垦和可持续农业发展方面展现出巨大的应用潜力。未来的研究可以聚焦于阐明RDT46菌株的确切共生机制，并通过田间试验验证这些菌株作为接种剂的实际效果。