2021年9月28日，微生物学一流刊物The ISME Journal 在线发表了中国农业大学根瘤菌研究团队的研究论文: The zinc-finger bearing xenogeneic silencer MucR in α-proteobacteria balances adaptation and regulatory integrity。田长富教授为主要通讯作者，张子丁教授为共同通讯作者; 团队成员焦健副教授为第一作者，博士研究生张碧亮为并列第一作者; 已毕业的李梦琳博士为共同作者。该项研究以广宿主根瘤菌 Sinorhizobium fredii 为材料 (与栽培大豆、野大豆、木豆等共生)，揭示了α-变形菌纲保守的锌指结构蛋白 MucR 作为外源基因沉默子平衡“适应性”与“调控完整性”的作用机制。

根瘤菌-豆科植物共生固氮体系是减施化学氮肥，保障农业可持续发展的关键组成部分。商业根瘤菌剂的接种效果通常会受到土壤条件、植物品种、田间管理措施等诸多因素的影响。了解根瘤菌在土壤中腐生和共生阶段的生存与演化机制对促进根瘤菌剂的推广应用具有重要意义。田长富课题组前期研究发现: 不同生态区农田的优势土著根瘤菌往往在豆科作物根际和根瘤中均占优势，体现出较高的局域生态适应能力 （Soil Biol Biochem 2018， 2017； J Biogeography 2017）； 一些不匹配的土著根瘤菌在大豆品种的选择压力下可以在一个接种周期实现匹配性的快速适应性演化 （ISME J 2018）； 功能基因组、遗传学和分子生物学分析表明共生匹配性的优化涉及大量菌种特有基因与核心基因调控网络的整合 （mSystems 2021； mBio 2020； PLoS Genetics 2018； Environ Microbiol 2017），而α-变形菌纲保守的锌指结构蛋白 MucR 是调控根瘤菌自生和共生多个重要过程的全局转录因子 （mBio 2021； Comput Struct Biotech J 2020； MPMI 2016； 图1）。

图1. α-变形菌纲保守的锌指结构蛋白 MucR 是广宿主根瘤菌 S. fredii 共生所必需的

在前期基础上，该研究综合利用ChIP-seq、比较转录组和分子演化分析等方法，发现: 全局转录因子MucR的靶基因与非靶基因的转录水平在根瘤菌自生和共生条件下均随着保守程度的增加而升高; 已知的与逆境适应和共生相关的靶基因属于物种或属核心基因，这些基因以条件依赖的方式被MucR抑制或激活，体现出与核心调控网络整合的特征; 但是，大多数MucR靶基因属于菌株特有基因，这些基因AT含量高 (典型的外源基因特征)，转录水平低; 在同一保守程度，靶基因的AT含量和转录水平高于非靶基因，而且整体转录水平在mucR缺失突变株中会被进一步上调; 靶基因上游及基因内部启动子 -35和 -10间隔序列的AT含量显著高于非靶基因，这一特征赋予了这些外源基因“先天”的高水平转录潜力; MucR在靶序列的募集水平随着AT含量及周期性T或TT数量的增加而升高。该研究进一步提出一个工作模型 (图2): MucR直接抑制富含AT的具有高转录潜力的外源基因——储备了适应性演化的基因资源，而外源DNA中MucR结合位点的逐步“侵蚀”有助于适应性演化过程中外源基因在核心调控网络中的整合。这项工作对于理解共生固氮根瘤菌及α-变形菌纲其它细菌 (包括病原细菌) 的适应性演化机制具有重要理论意义，对合成生物学中外源基因与底盘的适配机制研究亦有借鉴意义。

图2. 外源基因沉默子 MucR 平衡“适应性”与“调控完整性”的作用机制模型

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、中国农业大学“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://www.nature.com/articles/s41396-021-01118-2