生物固氮菌种和基因资源的研究与利用
报送单位:中国农业大学 推荐单位:中国农业大学

支撑项目(平台):国家自然基金委、973项目、欧盟项目、国家重点研发项目,农业生物技术国家重点实验室、农业部土壤微生物重点实验室

参与单位:中国农业大学

所属学科:生物学

主要贡献者:陈文新、李季伦、田长富、陈三凤、陈文峰、隋新华、杨苏声、李颖、袁红莉、杨金水、姜伟、王磊、牛天贵、高俊莲、汪恩涛、韦革宏、王风芹、韩素贞、刘杰、刘晓云、严雪瑞、谭志远、黄磊、邓晓峰、刘东海、朱铭莪、关桂兰、刁冶民、马玉珍、张国贤、孙淑荣、刘宏生、李海先、张小平、陈强、张磊、胡小嘉、王素英、蚁伟民、魏秉纲、陶天申、孙建光、赵维良、冯固、娄恺等

成就简介:建立了国际上最大的共生和联合固氮菌种资源库。在固氮菌分类、基因组进化、最小固氮基因簇的表达调控、固氮菌剂应用瓶颈问题的研究方面做出了系统性贡献,为减施化学氮肥的长期斗争储备了武器。

改革开放初期,中国农业大学组建了以陈文新、李季伦和杨苏声教授为骨干的生物固氮研究团队,从固氮菌资源、固氮酶表达与催化调控机制、固氮菌共生匹配性和抗逆机制等方面开展了持续至今的系统研究,为减施化学氮肥储备了菌种和基因资源及其利用的关键核心理论。该团队组织国内二十余家单位从我国32省600多个县采集了各种豆科植物的根瘤菌约2万株,建立了世界上最大的根瘤菌种资源库,发表2个根瘤菌新属,所发表新种数量约占全部已知根瘤菌物种的三分之一;随后又建立了国内外最大的联合固氮菌种质资源库,发表新种10个。该团队发现了一批具有耐盐碱、促生、抗真菌病害等特性的优良固氮菌种,并与公司合作完成多个共生和联合固氮菌剂的肥料登记。此外,克隆了十余个固氮菌抗逆基因,已有部分基因被成功应用于抗逆转基因作物的构建。针对固氮菌种的比较基因组、功能基因组、分子遗传学和实验进化学等研究发现:1)根瘤菌附属基因及其与核心基因的整合在抗逆和共生固氮中发挥重要作用,自然界存在“共进化的可转座元件”所介导的根瘤菌共生匹配性的适应性进化以及苦参等对根瘤菌属种地位和共生基因型选择性不强的极端混杂性豆科植物 (发表在PNAS、ISME J、PLoS Genetics、Environ Microbiol等杂志);2) 9个基因组成的最小固氮基因簇在固氮类芽孢杆菌中高度保守且处于较为特殊的可被正负调控的σ70启动子控制之下,该基因簇的获得可以使大肠杆菌等非固氮菌获得固氮能力 (在PLoS Genetics发表3篇文章)。此外,该团队在国际上率先使用菌种水平的高通量研究方法揭示了豆科植物根际土壤中根瘤菌菌种的丰度特征(在J Biogeography和Soil Biol Biochem发表3篇文章)。这些成果深化了我们对影响固氮菌剂应用的瓶颈问题的认识,有效指导了我们根据土壤和豆科植物品种筛选高效根瘤菌菌株的工作,所发现的最小固氮基因簇已被国内外学者应用到转基因植物研究中。在生物固氮方向,近40年来,该团队发表SCI文章200余篇,出版了《豆科植物根瘤菌接种剂生产与质量控制指南》和《中国根瘤菌》等中文书籍;自中国高被引学者榜单公布以来,陈文新教授连年入选免疫和微生物学领域榜单;该团队先后获得农业部科技进步一等奖 (2项),国家教委科技进步二等奖 (2项),国家自然科学二等奖、中华农业科技奖一等奖、教育部高等学校自然科学一等奖、北京市自然科学三等奖等奖项。李季伦和陈文新教授分别在1995和2001年当选中科院院士。陈文新院士2009年当选新中国成立60周年“三农”模范人物,2017年当选中国有机肥行业突出贡献人物。