生物之间的共生是极为普遍的生命活动和生态现象,也是生物之间最基本、最重要的相互关系。植物与微生物共生是自然界比较常见的共生现象之一。其中,根瘤菌与豆科植物的互利共生是备受关注的典型互作模式之一。豆科作为被子植物的第三大科,研究过与根瘤菌有共生关系的豆科植物只有0.3%～0.5%。其中绝大多数研究的豆科宿主集中在蝶形花亚科,包括与根瘤菌共生关系研究比较深入的模式豆科植物蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)和百脉根(Lotus japonicus)。然而人们对豆科植物苦参(系统发育分支在蝶形花亚科的基部)与根瘤菌的共生互作毫无所知。苦参(Sophora flavescens)的分类地位属于豆科苦参属,作为传统的中药材植物,其根部具有清热燥湿和利尿等功效。我们首先提出的科学问题是:a,S.flavscens与哪些根瘤菌种结瘤固氮并探究根瘤菌的持家基因和共生基因系统发育地位;b,自然界不同生态区的土壤理化因子如何影响苦参根瘤菌的生物地理分布。通过调查山西省、陕西省和辽宁省三个不同生态区发现,与S.flavescens结瘤的根瘤菌分布于5个不同属17个不同种。对其中两个系统发育地位不明确的苦参根瘤菌种群进行了新种鉴定。其次发现,土壤理化因子对于苦参根瘤菌的生物地理分布具有不同程度的影响,其中pH值的影响作用最大。进一步的交叉结瘤发现,在选择的αα和β纲的54株代表菌株中,苦参与绝大多数来自α纲的代表性的根瘤菌能形成有效的红色根瘤,而与β纲的根瘤菌则形成无效的根瘤。这些结果表明,苦参是高度混杂的豆科宿主即能与不同系统发育分支的根瘤菌共生结瘤,称为混杂性的共生关系。为了探究混杂性共生与根瘤菌的侵染方式的联系,我们通过lacZ标记苦参两株代表根瘤菌S.fredii CCBAU 45436和R.yanglingense CCBAU 01603并观察侵染过程发现,苦参根瘤菌是通过典型的根毛侵染方式进入根瘤,这与专一性的模式宿主M truncatula和L.japonicus类似。通过根瘤的电子显微镜切片观察发现不同根瘤菌与S.favescens形成的根瘤内类菌体发育状态有差异,比如PHB合成的量和共生体膜内部包裹的类菌体的数量。研究表明豆科植物结瘤因子受体NFP是决定宿主与根瘤菌共生范围的关键因素之一。为了揭示S.flavescens的NFP同源基因(SfNFP)在苦参与根瘤菌共生混杂性中扮演的角色,由于苦参基因组没有被测序,我们利用转录组学的手段获取到潜在的SfNFP(c51657_g1)序列。再进一步通过蛋白系统发育树构建和氨基酸序列比对后发现,c51657_g1与已鉴定的其他豆科植物NFP同源蛋白聚到一起且共有高度保守的氨基酸序列。为了进一步验证c51657_g1具有识别结瘤因子的生物学功能,我们利用c51657_g1基因回补M truncatula的突变体nfp。结果显示:转基因c51657_g1的nfp与S.meliloti 2011接种后能够结瘤固氮即c51657_g1成功回补nfp。进一步选择与野生型M.truncatula不匹配的苦参根瘤菌接种转c51657_g1基因的nfp后激发形成了无侵染的“假”根瘤。这说明SfNFP能够识别不同的根瘤菌进而激活共生信号下游通路,从而把混杂性的结瘤能力转移到专一性宿主上。最后部分是根瘤菌菌剂在大田应用的结果:筛选了两株在蛭石和土壤中能够高效结瘤固氮的苦参根瘤菌菌株。总之,苦参是目前发现的与根瘤菌共生关系最混杂的宿主之一。苦参结瘤因子受体NFP是一把重要的理解其共生混杂性机制的“钥匙”。本论文的研究开拓了我们对于豆科植物与根瘤菌共生互作的认识,为进一步研究混杂性共生奠定了基础。