与藻类、后与植物共生进化的祖先光合根瘤菌科

根瘤菌科（Rhizobiaceae）一直是阐明植物—微生物互利共生互作的经典模型，但其仅代表 α-变形菌门中一个狭窄的系统发育亚群。通过研究根瘤菌科的其他谱系，我们观察到其与产氧光合生物之间存在广泛关联，而不仅限于陆生植物，包括水生植物的早期分支类群、多细胞和单细胞藻类，以及蓝细菌。特别地，Hoeflea 属细菌常与蓝细菌或微藻相关联，而 Peteryoungia spp. 则定殖于水生植物的根部。尽管这两个属最初都被描述为非色素异养菌，但我们详细的基因组、生化和生理分析表明，大多数菌株实际上含有非产氧光合作用相关基因。在贫营养、富氧生长条件下，各个被表征的代表菌株均表达了含细菌叶绿素 a 的功能性光合复合体。光合作用基因在系统发育上最接近的亲缘类群之间表现出最高同源性，其拓扑结构与对应的管家基因系统发育一致，并且在不同物种的染色体上保持高度保守的基因共线性。综合来看，这表明根瘤菌科中的需氧型非产氧光合作用具有垂直遗传和悠久的祖先历史，而非近期多次水平转移。随后基于时间尺度的系统发育分析表明，根瘤菌科的最后共同祖先是一种水生光合生物，且根瘤菌科的不同谱系依次在与藻类、陆生植物、随后与豆科植物的关联中演化。尽管水生谱系将光合装置保留至今，但那些与陆生植物形成共生关系的根瘤菌——无论是作为根瘤内的互利内共生体，还是作为植物病原体——则相应丧失了光合能力。基于我们的结果，与多样化产氧光合生物之间的多重生物互作推动了根瘤菌科的早期演化。

根瘤菌科一直被视为阐明植物–微生物互利相互作用的经典模型，但其仅代表α-变形菌纲中的一个狭窄系统发育亚群。通过研究根瘤菌科的更多谱系，我们观察到其与产氧光合生物之间存在广泛关联，而不仅限于陆地植物，还包括沉水植物的早期分支类群、多细胞和单细胞藻类以及蓝细菌。尤其是，Hoeflea属细菌通常与蓝细菌或微型藻类相关，而Peteryoungia属物种则定殖于沉水植物根部。尽管这两个属最初均被描述为无色素异养菌，但我们细致的基因组学、生物化学和生理学分析表明，大多数菌株实际上都含有无氧光合作用相关基因。在寡营养且有氧的生长条件下，每个表征代表株都表达了含细菌叶绿素a的功能性光合复合体。光合作用基因在系统发育上最近缘的类群之间表现出最高同源性，其拓扑结构与对应管家基因系统发育树一致，并且在不同物种染色体上保持了高度保守的基因共线性。综合来看，这表明有氧无氧光合作用在根瘤菌科中是通过垂直遗传并具有悠久祖先历史而得以保留的，而非源于近期发生的多次水平转移。随后开展的时间尺度系统发育分析提示，根瘤菌科的最近共同祖先是一种水生光养生物，不同根瘤菌科谱系随后依次演化为与藻类、陆地植物以及更晚期的豆科植物相关联。尽管水生谱系一直保留光合作用机制直至今日，那些与陆地植物形成共生关系的根瘤菌——无论是作为根瘤内的互利性内共生体，还是作为植物病原体——都伴随着光合能力的丧失。基于我们的研究结果，与多样化产氧光合生物之间的多重生物互作驱动了根瘤菌科的早期演化。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.14.744861v1?rss=1

🏷️ 根瘤菌科 非产氧光合作用 系统发育分析 垂直遗传 共生演化