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  • 【上海新聞廣播】豆科植物如何建造“固氮工廠”? 《科學》發表這位在滬外籍科學家的重要成果

    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

      

    在地球生存了數千萬年的豆科植物有個強大的本領,從自然界中獲取營養--氮肥。因為豆科植物大多能與固氮根瘤菌建立共生關系,形成高效的“固氮工廠”——根瘤。根瘤中含有大量的固氮工具——類菌體。類菌體內的固氮酶能夠將空氣中的氮氣轉變成植物可利用的氨,同時植物可提供根瘤菌需要的碳水化合物,從而互惠互利。類似人體血液中的血紅蛋白,存在于豆科植物根瘤中的豆血紅蛋白的含量和組分,直接影響根瘤內固氮酶的活性。但是迄今為止,有關根瘤內豆血紅蛋白基因表達調控機制還不清楚。

    北京時間今天(29)凌晨,國際學術期刊《科學》在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心外籍研究員杰睿(Jeremy Dale Murray)研究組及合作團隊的最新成果。經過多年研究,團隊首次發現轉錄因子NLP家族調控根瘤中豆血紅蛋白基因表達的分子機制,揭示了豆科植物建造“固氮工廠”的秘密,為提高豆科植物的固氮能力提供了理論基礎。

    研究發現,豆科植物的NLP基因家族成員NLP2和NIN在根瘤中高度表達。當植物缺少NLP2時,豆血紅蛋白基因的表達受到抑制,導致根瘤的固氮能力顯著下降。豆血紅蛋白與哺乳動物血紅蛋白相似,包含了血紅素和蛋白質。一方面,豆血紅蛋白可以結合根瘤細胞中的氧氣,使根瘤細胞處于低氧微環境,同時豆血紅蛋白還可以將氧氣釋放給固氮細菌供其呼吸。研究進一步發現,NLP2和NIN可以通過結合特殊的“硝酸鹽響應位點”,來激活根瘤中豆血紅蛋白基因的表達,進而平衡根瘤中氧氣含量,促使根瘤高效固氮。相關研究,進一步追溯到這一調控機制的進化和起源。

    農業生產中人們往往是用大量工業氮肥來提高作物產量。我國氮肥施用量約為世界總施用量的1/3,但是其利用率僅為30%左右。該成果首次發現豆科植物中NLP家族直接調控豆血紅蛋白基因的表達,揭示了豆科植物如何建造固氮工廠的分子機制,為提高豆科植物的固氮能力提供了理論支撐,同時有助于水稻和玉米等非豆科植物實現自主固氮,進而減少工業化肥的使用,對節能減排和環境保護具有重大意義。

    值得一提的是,團隊帶頭人、加拿大籍科學家杰睿長期從事植物固氮領域研究,2017年至今任中國科學院分子植物科學創新中心研究員,植物分子遺傳國家重點實驗室研究員。中心良好的科研土壤是杰睿選擇來上海發展的一大關鍵。

    據介紹,在植物固氮領域,分子植物科學卓越創新中心此前引進的謝芳研究員、王二濤研究員已在各自科研方向上取得一系列國際領先成果。杰睿團隊加入后,三支團隊各有互補,相輔相成,使得中心在該領域研究的國際競爭中擁有“集群優勢”。此次杰睿團隊的最新成果,王二濤研究員也參與了部分工作。杰睿相信,在上海,在分子植物科學卓越創新中心,他的研究還將更進一步。

    文章鏈接:https://m.ajmide.com/m/branddetail?id=33803751

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