普遍的RNA代谢调节增强了固氮共生α-根瘤菌的根系定殖能力

根瘤菌和豆类植物之间的固氮根瘤共生体每年向陆地生态系统提供超过一半的结合氮，使植物生长独立于对环境不利的化学物质。。。

　　

摘要

根际和根面营养丰富，但对根际微生物有选择性。在这里，我们破译了一个由同源基因调控的转录后网络反式-小rna（sRNAs）AbcR1和AbcR2，重组固氮α根瘤菌的代谢草木犀根瘤菌在侵染前阶段与豆科寄主紫花苜蓿共生。LysR型调节因子LsrB是活跃分裂细菌表达AbcR1所必需的，而AbcR2的胁迫诱导转录依赖于替代性σ因子RpoH1。MS2亲和力纯化结合RNA测序揭示了异常大和重叠的AbcR1/2mrna相互作用体，共同代表了?6%的S、 梅利洛蒂蛋白质编码基因。大多数mRNAs编码转运/代谢蛋白，其翻译被碱基配对沉默为两个不同的抗Shine Dalgarno基序，在两个sRNAs中独立发挥作用。代谢模型辅助分析靶点预测了AbcR1/2表达的变化，这种变化是由碳/氮源的转移引起的，实验证实了这一点。在某些特定培养基中，低AbcR1/2水平预示着与特定mRNAs沉默相关的过度表达生长表型。作为原理的证明，我们证实了AbcR1/2介导的我-氨基酸AapQ通透性。AbcR1/2相互作用体在根际关系中有很好的代表性S、 梅利洛蒂转录组签名。值得注意的是，缺乏AbcR1特别损害了S、 梅利洛蒂在根面上定殖。AbcR1调节因子可能对有效底物的利用进行排序，以优化代谢，因此S、 梅利洛蒂有效根际/根面定殖的优势。AbcR1调控在相关的α-根瘤菌中被认为是保守的，这为设计具有高度竞争力的生物肥料开辟了前所未有的可能性。

重要性根瘤菌和豆科植物之间的固氮根瘤共生体每年为陆地生态系统提供超过一半的结合氮，使植物的生长不依赖于环境不友好的化肥。共生的成功主要取决于根瘤菌在土壤和根际环境中建立竞争种群的能力。在这里，我们提供了一个广泛的RNA转录后网络的调控和结构，精细调节苜蓿共生体的代谢S、 梅利洛蒂从而提高了这种有益细菌在营养丰富但选择性极强的生态位（如寄主植物的根际）上定殖的能力。这种普遍的RNA代谢调节是一个主要的适应机制，预计在不同的根瘤菌物种中发挥作用。由于RNA调控依赖于可修饰的碱基对相互作用，我们的发现为在可持续农业实践中设计豆类植物根际生物群落开辟了一条未经探索的途径。

简介

固氮根瘤菌与豆科植物之间建立的固氮根瘤共生体是农业环境可持续性的支柱(1)这些相互作用的物种特定的植物-微生物相互作用依赖于合作伙伴之间严格的代谢合作。根瘤菌必须应对土壤、根际和根细胞定殖过程中养分有效性的急剧变化(2,三)松质土壤是一种非生物胁迫下的非均匀贫营养环境。植物源性营养物质促进根际和入侵根瘤菌的代谢，以及根瘤内形态分化的类杆菌共生固氮。因此，共生的成功在很大程度上取决于根瘤菌能否准确地适应其代谢以适应营养复杂的土壤和植物环境。根瘤菌的代谢多功能性是由大而多部分的基因组支持的，其丰富的遗传禀赋安排在复杂的网络中，专门用于营养吸收和分解代谢(4,5)这些转录后的差异性转录因子主要是由转录后的差异性转录因子引起的(6–9)然而，自从在原核生物中大量发现小的非编码RNA（sRNAs）以来，RNA介导的转录后代谢控制被认为是一种普遍存在的调节水平，对细菌在波动环境中的适应能力有很大的贡献(10).

根瘤菌中最具特征的非编码转录组是α蛋白杆菌草木犀根瘤菌苜蓿共生体(紫花苜蓿五十、 ）和其他豆科植物(11–13)转录组测序（RNA-seq）研究揭示了一个由S、 梅利洛蒂，但只有一些所谓的反式-参与调节群体感应、细胞周期和新陈代谢的sRNAs已经被进一步描述(14–20).反式-作用sRNAs是细菌中研究最多的一类核糖调节因子。它包括主要在基因间区（IGR）内编码的转录本，通常影响多个基因的翻译和/或半衰期反式-蛋白质辅助短不完全碱基配对编码的mRNAs(21)计算预测和初步实验数据表明，至少有三种S、 梅利洛蒂 反式-sRNAs，即NfeR1、AbcR1和AbcR2，通过抑制ABC转运蛋白编码的mRNAs的翻译来调节营养物质的摄取(14,15,22).

NfeR1公司(n模块f地层e效率RNA 1）是一种115核苷酸（nt）胁迫诱导的sRNA，它需要渗透适应和结节发育(14)NfeR1的调节能力依赖于三个相同的反Shine-Dalgarno（aSD）基序，它们对翻译抑制有多余的贡献。只有两个mRNAs被实验证实为NfeR1靶点，SMC0321型和SMb20442型，这两种蛋白都编码尚未鉴定的转运蛋白的周质底物结合蛋白。AbcR1和AbcR2(A总磷-b装订c基因114由长链调控子携带SMC0226型和lsrB，它对ArsR类型和LsrB进行编码(我ysR型s益生菌r调控因子B）转录调节因子(15)与NfeR1不同，AbcR1/2与Hfq相互作用，Hfq是一种广泛存在的细菌伴侣，在核糖调节中通常充当RNA的匹配物(22)尽管它们有同源性，但这些sRNAs的表达是不同的(15)AbcR1的表达在指数生长期和根系感染早期被诱导表达，而在固氮内共生类杆菌中表达下调。相反，AbcR2的最高水平的积累发生在稳定期生长的开始和对非生物胁迫的反应，而它几乎没有被检测到在车前整个共生过程。因此，在富营养培养基中，AbcR1的缺乏会导致生长延迟，而AbcR1和AbcR2对于野生型根瘤的器官发生和共生固氮都是不可或缺的M、 萨提瓦植物(15).

S、 梅利洛蒂AbcR1/2是αr15家族的创始成员，在大多数情况下具有代表性根瘤菌科和布鲁氏菌科物种，包括哺乳动物和植物病原体流产布鲁氏菌和根癌农杆菌(23–25)。值得注意的是，AbcR1和AbcR2在功能上是冗余的B、 流产毒力；i、 只有双重缺失才能防止宿主巨噬细胞的慢性感染(26,27).英寸A、 肚子痛和B、 流产AbcR1的表达受VtlR调控，VtlR是由相邻基因编码的LysR型转录调节因子（LTTR）(28,29)AbcR1基因区在α蛋白细菌中表现出高度的同步性，因此S、 梅利洛蒂OrthologLSRB被认为是该菌中最有可能的AbcR1调节因子。然而，这一假设尚未得到实验证明(30)基因敲除突变体的转录组学和蛋白质组学特征B、 流产和A、 肚子痛AbcR1/2号机组(26,27,31)尽管这种分析不能区分直接和间接调控的mRNAs，但差异表达的转录物在功能上丰富了营养吸收和毒力因子。进一步的实验验证表明，这些候选靶mRNA的亚群是通过两个aSD基序调控的，这两个aSD基序在αr15-sRNAs的预测二级结构中可识别为单链区(27,31)同样，基因报告者的分析也证实了这一点立夫,prbA公司，和SMa0495型，所有编码ABC转运蛋白的周质组分，作为氨基酸摄取的靶点S、 梅利洛蒂AbcR1/2号机组(15,22)这些核糖核酸的相互作用可能还没有被碱基结合。

在这里，我们探讨了S、 梅利洛蒂AbcR1/2srnas及其mRNA相互作用体的图谱分析(米S2一公司p结合RNA的纯化s顺序）(32,33)我们的数据表明，LsrB和替代σ因子RpoH1分别对AbcR1和AbcR2的差异转录起作用。反过来，这些sRNAs利用它们的aSD基序来下调编码转运蛋白和代谢酶的大而重叠的mRNAs阵列的翻译。此外，我们发现AbcR1介导的转录后代谢微调增强了S、 梅利洛蒂定殖根面，一种与生物技术相关的共生特性。