2008年5月21日，《美國(guó)科學(xué)院院刊》網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表了由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所和國(guó)家作物基因資源和基因改良重大科學(xué)工程為第一主持單位，與中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所、法國(guó)巴斯德研究所、北京大學(xué)和清華大學(xué)等共同完成的重要科研成果——《聯(lián)合固氮斯氏假單胞菌的固氮基因島和根際競(jìng)爭(zhēng)特性》。這一突破性成果對(duì)聯(lián)合固氮分子機(jī)理的揭示及其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。我院生物技術(shù)研究所分子微生物研究室燕永亮博士為論文的共同第一作者，林敏研究員為論文的共同通訊作者。
在自然界中，某些原核微生物在常溫常壓下通過(guò)固氮酶將空氣中的氮素固定為氨，這一過(guò)程稱為生物固氮，這類微生物稱為固氮微生物。據(jù)估計(jì)，全球每年的生物固氮總量為2億噸，約占全球作物需氮量的四分之三。在國(guó)家863計(jì)劃、973計(jì)劃和國(guó)家自然基金項(xiàng)目的支持下，林敏實(shí)驗(yàn)室與法國(guó)巴斯德研究所、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所和北京大學(xué)等國(guó)內(nèi)外同行合作，于2005年完成了分離自我國(guó)南方水稻根際的聯(lián)合固氮斯氏假單胞菌全基因組測(cè)序及功能注釋工作，斯氏假單胞菌A1501是目前國(guó)際上完成全基因組序列測(cè)定的第一例聯(lián)合固氮菌。比較基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，A1501基因組中四個(gè)DNA區(qū)域具有典型的基因島特征，所有固氮基因成簇分布在一個(gè)49 kb的DNA區(qū)域內(nèi),形成獨(dú)特的“固氮島”，為生物固氮體系進(jìn)化研究提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)和功能完整的進(jìn)化中間類型。利用基因芯片、適時(shí)定量PCR和非極性突變株構(gòu)建等方法，鑒定了一系列可能參與細(xì)菌氮信號(hào)傳導(dǎo)或保持最佳固氮水平的新基因，為進(jìn)一步深入研究聯(lián)合固氮基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控奠定了良好的工作基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)A1501功能基因組的研究分析表明，固氮作用、芳烴化合物降解和PHB合成等代謝特征以及抗草甘膦等抗逆特性，使A1501具有較強(qiáng)的應(yīng)對(duì)土壤環(huán)境變化的適應(yīng)能力，并在根際競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位。目前，從A1501基因組中已分離了芳香族化合物降解基因簇，鑒定了一個(gè)新型高抗草甘膦的EPSP合酶基因且已申請(qǐng)國(guó)際PCT專利，并開展了一系列生化與遺傳學(xué)研究，這不僅為探討穩(wěn)定聯(lián)合固氮體系建立的分子機(jī)制提供了重要的理論依據(jù)，同時(shí)新型抗草甘膦等抗逆基因的獲得，將為優(yōu)質(zhì)高效抗逆農(nóng)作物新品種培育提供新的功能基因來(lái)源，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要理論價(jià)值和應(yīng)用前景。
P. stutzeri A1501染色體圈狀示意圖及基因表達(dá)譜比較
