蒙古黄芪(Astragalus mongholicus)和膜荚黄芪(A.membranaceus)是两种重要的中药材,统称为“黄芪”,其药用成份主要为黄芪多糖,有补气、抗衰老、提高免疫力的功效。由于黄芪在药物中的广泛应用,需求量越来越大,野生黄芪资源逐年匮乏,促使人们转向人工栽培。黄芪可与根瘤菌建立共生固氮关系,而人工栽培系统中黄芪共生根瘤菌的多样性尚没有系统研究,对于与黄芪共生的根瘤菌的宿主选择机制也不清楚。本论文首次对我国人工黄芪栽培区黄芪的结瘤固氮情况及黄芪与根瘤菌的共生固氮作用进行了系统的研究。本研究调查了不同人工栽培生态区的黄芪结瘤情况,进行了根瘤采集和根瘤菌的分离,对分离到的根瘤菌进行了遗传和共生基因多样性分析,并对根瘤菌受土壤环境和宿主影响下的地理分布情况进行了分析。结果表明,人工栽培黄芪的结瘤数随着施肥量的增加而减少,施肥量多的区域,根瘤数量少,根瘤内非共生的内生菌占多数;施肥量少或不施肥的地方黄芪结瘤最好,根瘤内以可结瘤固氮的中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium)为优势菌,以北方中慢生根瘤菌(M.septentrionale)、温带中慢生根瘤菌(M.temperatum)、天山中慢生根瘤菌(M.tianshaense)、木垒中慢生根瘤菌(M.muleiense)为优势种群,它们的共生基因(nodC和nifH)为黄芪亚族豆科植物根瘤菌所特有。在施肥量较多的安徽省亳州市人工栽培黄芪根瘤内还分离得到一些内生菌,经多相分类和全基因组比较分析,将其鉴定为剑菌属(原中华根瘤菌属)的一个新种。由于新种群不能与原宿主黄芪结瘤,却可与野大豆和大豆结瘤,且与分离自河北省的未鉴定的大豆根瘤菌归属为同一个种,因此将其命名为Ensifer glycinis。模式菌株为CCBAU 23380T。为寻找黄芪共生根瘤菌中的特有基因,本研究还对一些与黄芪结瘤代表菌株的全基因组序列进行了测定,并与一些不与黄芪结瘤的根瘤菌进行了全基因组比较。结果发现,与黄芪亚簇共生的根瘤菌中,都存在一个特有的含有11个基因的基因簇,与固氮时的吸氢酶功能相关。另外,还发现了一个特殊的编码分泌蛋白,识别不同宿主的基因nodO,在与黄芪共生菌中普遍存在,包括能与黄芪结瘤的Rhizobium yanglingense CCBAU 01603,且其序列与中慢生根瘤菌的nodO高度同源。该nnodO基因与不能与黄芪结瘤的R.leguminosarum bv.viciae中的nodO位于不同的进化分支。菌株CCBAU 01603的nodO基因删除后,在黄芪上所结的根瘤为畸形瘤,固氮效率差;但突变体仍能与锦鸡儿和苦参结正常形态的根瘤。进一步的研究发现,虽然同为黄河中慢生根瘤菌(M.silamuunense)—个种内的两个不同菌株(CCBAU 01550T和CCBAU 45272),但它们与黄芪的共生固氮效率和根瘤内类菌体的发育差异却很大。全基因组比较分析表明,这两株菌共享87.1%的同源基因,而各自含有12.9%的特有基因。与膜荚黄芪共生时,菌株CCBAU 01550的类菌体发育受阻,体积小,固氮效率低;而菌株CCBAU 45272的根瘤类菌体体积膨胀,固氮效率高。两菌株共生状态的转录组比较表明,它们各自有独特的基因表达上调或下调。首次发现黄芪与不同根瘤菌共生时,类菌体有膨胀和非膨胀之分。论文还筛选到一株高效的黄芪根瘤菌,可促进黄芪的生长和提高黄芪多糖的含量。