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          【文匯報】加拿大學者上海設立實驗室四年,成果登上《科學》:揭開豆科植物固氮之謎

          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

            

          大自然中,為何只有豆科植物能夠利用固氮菌建立起自己的“固氮工廠”,做到氮肥“自給自足”?今天凌晨,國際著名學術期刊《科學》雜志在線發表中國科學院分子植物科學卓越創新中心的加拿大學者杰睿的研究成果,從基因層面解釋了為何豆科植物會擁有固氮本領。

          化學工業生產的氮肥雖然為農業帶來了高產,卻也帶來了利用率不高、環境污染等問題。其實,自然界有天然的生物固氮系統——土壤中的固氮菌,可惜的是,在千萬年的進化中,只有部分豆科植物有利用固氮菌,形成高效“固氮工廠”根瘤的本領。

          為何其他植物利用不上這么好的資源呢?過往研究發現,原來,靠固氮菌固定“氮”,對植物來說是一種“昂貴的交換”:植物需要為固氮菌提供其所需的碳水化合物,來交換固氮菌利用空氣合成的氨,由于固氮反應會消耗大量能量,對植物來說是一筆不小的“開支”。更麻煩的是,根瘤中的“固氮工人”固氮酶必須在低氧環境中才能工作,這與固氮菌和植物的氧氣需求恰好相反。這種“氧氣悖論”也使豆科以外的植物們對自主固氮望而卻步。

          那么,豆科植物又是如何解決“氧氣悖論”難題的?四年前,杰睿通過中國科學院-英國約翰·英納斯中心植物和微生物科學聯合研究中心來到上海,在分子植物卓越中心建起了自己的實驗室?!芭c在英國相比,這里我能指導更多的博士后和博士生,能做成更多事?!边@位曾在加拿大、美國、英國從事科研的學者,在上海對國際植物領域的這一熱門難點,發起了探索。

          在實驗中,研究團隊意外發現,參與調節植物氮代謝過程的轉錄因子NIN和NLP2在根瘤中具有“高人一等”的表達量,而當NLP2缺失之后,根瘤中的豆血紅蛋白就會減少,固氮能力也隨之顯著下降。

          “豆血紅蛋白其實與動物的血紅蛋白是有相似之處的,也具有平衡氧氣的本領?!闭撐牡谝蛔髡?、杰睿研究團隊的助理研究員姜蘇育介紹,豆血紅蛋白在平衡根瘤內的氧氣中發揮重要作用,有助于豆科植物更好地進行共生固氮,“在根瘤中,它可以帶走部分氧氣,為固氮酶創造適宜工作的低氧環境,又能將氧氣提供給固氮菌,維持著‘固氮工廠’中微妙的氧氣供需平衡”。

          該研究首次發現轉錄因子NLP家族調控根瘤中豆血紅蛋白基因表達的分子機制?!斑@兩個基因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?!苯茴UJ為,每棵植物的歷史都鐫刻在其DNA中,科學家則能據此追溯其調控模式的前世今生。

          研究團隊發現,NLP家族其他成員能夠在其他植物中激活體內的血紅蛋白基因表達。豆科植物已經存在了數千萬年,在我國周朝時期,人們就已經注意到了它對農業的重要性。該研究成果對推進生物固氮發展為新型的氮肥來源具有重要意義,不僅有助于提高豆科植物固氮能力,更有助于水稻和玉米等非豆科植物實現自主固氮。

          文章鏈接:http://wenhui.whb.cn/zhuzhanapp/kjwz/20211029/431087.html

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