固氮微生物在宿主植物根分泌物诱导下,趋化运动到根表定殖生长,形成固氮生物膜,从而获得根际竞争优势地位,但相关分子机制研究知之甚少。固氮施氏假单胞菌A1501分离自水稻根际,具有趋化、生物膜形成、促生等能力,是系统研究微生物根表定殖的模式菌株。本实验室在基因组水平上鉴定了与生物膜形成相关基因,包括Gac/Rsm基因(如RNA结合蛋白基因rsmA、非编码RNA rsmYZ和双组分调节蛋白基因gacA)、sigma因子基因(如σ54因子rpoN、σ70 ECF亚家族alg U)、环二鸟苷酸降解酶基因bifA、环二鸟苷酸合成酶基因sad C、细菌纤维素合成酶基因bcsA以及胞外多糖合成酶基因pslA等,进行了纯培养条件下生物膜形成的调控机制研究,为进一步开展根表定殖过程中生物膜形成相关基因的作用机制研究奠定重要工作基础。本论文采用竞争性接种、抗性板筛选计数方法,系统研究了生物膜相关基因在水稻根表竞争性定殖及促进玉米生长中的功能与作用,主要研究结果如下:1.在模拟根际缺氮寡营养条件下,rsmA基因突变导致生物膜形成能力增强,相比野生型上调17%,表明该基因对生物膜的形成可能起一定的抑制作用;而pslA、gacA、rpoN、sadC、algU、rsmY以及rsmZ基因的突变导致生物膜形成能力显著下降35-70%,表明其对生物膜形成可能起重要的作用;而bifA基因突变对生物膜的形成影响不大。2.在可控温度和光照的水培条件下,将野生型与生物膜相关基因突变株等比例接种水稻幼苗根际,竞争性定殖结果表明:负调控生物膜形成基因rsmA和rsmZ突变导致定殖能力显著增强55%和65%。而algU、pslA、sadC以及bcsA基因的突变,导致定殖能力显著降低30-73%;gacA及rsmY基因突变对定殖能力影响不大。以上突变株的定殖能力结果与模拟根际条件下生物膜形成能力总体一致,表明固氮菌可能通过调控生物膜的形成实现根表有效定殖。3.在温室土培条件下,将rsmA、alg U、sadC、pslA基因突变株与野生型分别以单一菌株或等比例混合接种玉米,促生实验结果表明:无论单一菌株或混合菌株接种,rsmA基因突变后促使玉米生物量增加,株高和根重增加4.4%和12.8%;而pslA或algU基因突变株接种后的玉米生物量下降26.1%,根重下降6.4-21.8%。此外,相比algU和pslA基因突变株混合接种,rsmA和sadC基因突变株混合接种后玉米植株重量增加5.8%,根重增加4.9%。以上结果表明固氮菌生物膜形成相关基因的突变对植物宿主的生长量产生重要影响。综上所述,本研究证明固氮施氏假单胞菌生物膜形成相关基因参与根表定殖,并在促进宿主作物生长中发挥重要作用,相关进展将为揭示根表定殖和生物膜形成的调控机制,探索作物与固氮微生物互作的分子机制提供了重要理论基础。