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    文章來源:分子植物科學卓越創新中心  |  發布時間:2021-10-29  |  【打印】 【關閉

      

    在豆科植物的“固氮工廠”——根瘤中,有兩個對氧氣要求截然不同的“部門”:植物根瘤細胞和寄生其中的固氮菌,為了自身的生存和固氮的高能耗,固氮菌渴望大量的氧氣;但對于將氮氣變成氨的關鍵“崗位”——固氮酶來說,只有低氧環境才適合工作。

    豆科植物是如何調和“固氮工廠”“部門”之爭的?10月29日,一篇由中國科學院分子植物科學卓越創新中心Jeremy Dale Murray研究組及其合作團隊完成的論文,在線發表于國際學術期刊《科學》上,進一步揭開了“固氮工廠”的運作機制之謎。

    豆科植物也有“血紅蛋白”

    對于“部門”間的氧氣之爭,豆科植物的“固氮工廠”早就安排了一個“調解員”—— 共生血紅蛋白(豆血紅蛋白)。

    豆血紅蛋白類似人體血液中的血紅蛋白,包含了血紅素和蛋白質。其中,結合了鐵元素的血紅素,在氧氣濃度過高時可以與氧氣結合,降低其含量;而在氧氣不足時,豆血紅蛋白可以將氧氣釋放給固氮菌供其呼吸。

    如此一來,豆血紅蛋白就能恰到好處地維持著根瘤細胞中的氧氣濃度,既能滿足宿主細胞與根瘤菌在生存和固氮時的能量消耗,又能讓固氮酶能安心工作。然而,誰又在“幕后”操控著豆血紅蛋白在“三個雞蛋上跳舞”?這一直是科學家們試圖破解的難題。

    顏色之差帶來意外驚喜

    突破,來自顏色的差異。在實驗室的試管里,正常的豆血紅蛋白使根瘤呈現粉紅色。然而,在Jeremy Dale Murray研究組里,一根試管里呈現出不一樣的粉紅色——紅色更淡一些,這表明這只試管里的豆血紅蛋白,在結合氧氣的能力上有所不同。

    這一意外發現,讓科研人員倍感驚喜,因為這支試管里的豆血紅蛋白缺少了NLP2基因,而這個基因可能在調控豆血紅蛋白基因表達中發揮作用。NLP家族是植物特有的一類轉錄因子,它能夠結合靶基因啟動子中的特殊“元件”——硝酸鹽響應元件(NRE)來激活下游基因的表達,參與調節植物氮代謝過程。

    研究組隨后的一系列研究證實,NLP家族中的兩個成員NLP2和NIN在根瘤中具有“高人一等”的表達量。當植物缺少了NLP2后,豆血紅蛋白基因的表達也受到了影響,同時根瘤的固氮能力下降。

    進一步研究顯示, NIN和NLP2通過直接結合豆科植物保守的雙重硝酸鹽響應元件(dNRE)來激活根瘤中豆血紅蛋白基因的表達,平衡固氮所必需的氧氣微環境。系統發育分析表明,dNRE和NLP2僅在豆科植物中高度保守,暗示著其進化有助于提高根瘤中豆血紅蛋白的表達水平。

    事實上,除了豆科植物,其他不少種類的植物里,都有血紅蛋白。不同的是,其他植物的血紅蛋白都只是負擔著體內清除氧氣的作用,從而能夠在洪水泛濫等低氧環境中生存。研究團隊發現,其他NLP能夠通過植物中普遍存在的硝酸鹽響應元件激活非共生血紅蛋白基因的表達。這表明NLP-血紅蛋白模塊與缺氧生存的作用在根瘤中得以延續,以解決生物固氮的氧氣悖論。

    劍指生物固氮新途徑

    豆科植物已經存在了數千萬年,早在中國周朝時期,就有學者注意到了它對農業的重要性。由于能源成本的逐年提高,氮肥的生產成本也在增加。因此,生物固氮作為潛在的新型氮肥來源,對于農業可持續發展具有重要意義。

    “我們希望通過把豆科植物固氮基因轉移到水稻或玉米里,或改變固氮菌基因從而適應水稻或玉米,由此實現非豆科植物的自主固氮,進而降低工業氮肥的使用,這對于節約農業生產成本和生態環境保護具有重大意義?!盝eremy Dale Murray表示,在實現這一宏偉目標之前,豆科植物固氮還有很多機理還需要進一步研究。

    文章鏈接:http://www.shkjb.com/content.html?id=218605

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