氮素是生物体最重要的生命元素之一,也是农业生产的重要限制因素。随着人口增加,世界农业对氮的需求也不断增加。生物体从环境中吸取氮素主要是以化合态吸收,人工合成氮肥虽然使农作物产量得到了提高,但是人工固氮的过程和氮肥的不合理使用却给环境带来巨大的污染。而生物固氮尤其是豆科植物根瘤菌共生固氮由于受到植物和微生物双方共同精确的调节,固定的氮素都能被植物吸收,不污染环境,是一种节能、环保和高效的固氮方式。因此研究豆科植物——根瘤菌的共生固氮体系的机制,提高植物共生固氮的效率是促进农业生产一种有效手段。前人的研究表明细菌表面多糖尤其是胞外多糖不仅能够影响根瘤菌的侵染能力而且会影响结瘤的宿主特异性甚至影响竞争结瘤过程,但是其作用机制还不是特别清楚。在苜蓿中华根瘤菌中参与胞外多糖的合成并影响其与宿主共生固氮过程的主要是exo/exs或exp基因,而且其与紫花苜蓿共生是一个研究豆科植物和根瘤菌互作关系的天然模型。在形成无限根瘤的豌豆根瘤菌中影响该过程的主要是pss基因,苜蓿中华根瘤菌中也有pss基因,我们想探讨在该根瘤菌中是否存在其他途径影响胞外多糖的合成进而影响共生固氮,进一步解析胞外多糖在共生过程中的作用机制。本论文中,我们以苜蓿中华根瘤菌-紫花苜蓿为模型对根瘤菌菌株S.meliloti 1021中pssF基因参与共生过程中的作用机制进行了初步研究。由于根瘤菌本身的生理状态会影响共生过程,因此,首先我们研究了pssF基因的突变体本身的生长特性和运动性,发现突变菌不受影响,根瘤菌的耐盐性也不受影响,但是突变菌中次生代谢产物EPS的含量显著提高(无论是低分子量的胞外多糖还是高分子量的胞外多糖)。胞外多糖能够影响根瘤菌的粘附结合以及侵染线的形成,本研究利用野生型和pssF基因突变菌接种紫花苜蓿研究这一过程。当野生型和pssF基因突变菌接种紫花苜蓿1-2 d后发现该基因的缺失突变体会导致根毛弯曲变形的推迟,而紫花苜蓿防御基因PR10的表达情况说明该基因的缺失在30 min到48小时之前可能加强了植物对突变菌的防御能力而导致根毛弯曲推迟。而用带lacz标签的野生型和突变菌接种苜蓿5天和7天后观察根中侵染线的情况,结果表明接种野生菌和突变菌后形成的侵染线结构不变但是接种后者形成的侵染线数目显著少于前者,而且结合实验的结果显示突变菌结合根毛的能力显著低于野生型,这说明pssF基因有可能通过降低根瘤菌的结合能力而导致突变菌侵染线数目变少。前期侵染线的减少有可能会导致后期根瘤数目的减少,但是分别接种野生菌和突变菌28天后紫花苜蓿形成的根瘤数目没有显著差异。由于正常根瘤的形成对侵染线的利用率较低,说明在某种程度上pssF基因的缺失提高了共生效率。而接种28天后根瘤中的固氮酶活结果显示,pssF基因的缺失会提高根瘤菌的固氮能力。并且在竞争性结瘤实验中,发现在接种28天时,突变菌所占的比例约是野生型的2倍,说明突变体的竞争性较野生型的强。以上结果说明在侵染结瘤的过程中,突变菌的共生能力要强于野生型。为了进一步研究pssF基因的作用机制,我们在体外研究了 PssF蛋白的生化特性。生物信息学推测该蛋白属于糖基转移酶超家族GT-A的GT2家族,其保守的DxD结构是酶的催化活性位点。本研究体外纯化了该蛋白,通过HPLC检测了 PssF反应物的剩余量初步鉴定出PssF的供体是UDP-葡萄糖,但遗憾的是没有找到受体底物。综合以上的实验结果,S.meliloti 1021中葡糖基转移酶PssF通过降低胞外多糖的含量直接或间接抑制共生效率以及固氮酶活,这加强了我们对胞外多糖影响共生结瘤机制的理解,为进一步开发共生结瘤能力强的高效根瘤菌剂提供依据。