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豆科植物固氮“氧气悖论”破解

时间:2021-10-29来源:中国科学报

 

Jeremy在实验室。中国科学院分子植物科学卓越创新中心供图

■本报记者 秦志伟 ■黄辛

根瘤被称为豆科植物的“固氮工厂”,反映豆科植物与固氮根瘤菌的共生关系。豆血红蛋白(又称共生血红蛋白)存在其中,是根瘤中调节氧气浓度的“开关”,氧气是豆科植物和根瘤菌呼吸必需的,但根瘤菌中的固氮酶更喜欢低氧环境,“氧气悖论”就产生了。这一悖论始终悬而未决,也就是说,迄今为止有关根瘤内豆血红蛋白基因表达的调控机制仍不清楚。

10月29日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心(以下简称分子植物卓越中心)Jeremy Dale Murray团队成功破解固氮“氧气悖论”,他们首次发现转录因子NLP家族调控根瘤中豆血红蛋白基因表达的分子机制。研究成果发表于《科学》。

“氧气悖论”悬而未决

在自然界,植物生长除了需要外界氮肥外,也会“自给自足”。如大豆等豆科植物,它们和细菌互利共生固氮,自我施肥。这就是豆科植物与固氮根瘤菌的共生关系产生的结果。

“氧气悖论”的产生要从“固氮工厂”根瘤说起。在其中,固氮作用的执行者是类菌体。类菌体内的固氮酶可“摇身一变”,将空气中的氮气转变为植物可利用的氨。与此同时,豆科植物可提供根瘤菌需要的碳水化合物,从而使豆科植物和根瘤菌实现互惠互利。

然而,固氮反应过程需要消耗大量能量。对豆科植物来说,这一“交换”是昂贵的。

更为关键的是,“固氮酶对氧气高度敏感,需要在低氧环境下才能工作,但宿主细胞和根瘤菌本身的呼吸又需要大量氧气”。Jeremy告诉《中国科学报》,为了同时满足固氮酶、宿主细胞与根瘤菌的不同需求,根瘤细胞通过合成大量的豆血红蛋白来调节氧气浓度。

“豆血红蛋白类似人体血液中的血红蛋白,包含血红素和蛋白质。”Jeremy进一步解释道。结合了铁元素的血红素在氧气浓度过高时可与氧气结合,进而降低氧气含量;而在氧气不足时,豆血红蛋白可以将氧气释放给类菌体供其呼吸。

值得一提的是,豆血红蛋白使根瘤呈现粉红色。“这就解释了豆科植物的根瘤为什么是粉红色的。”论文第一作者、分子植物卓越中心助理研究员姜苏育告诉《中国科学报》。

已有研究表明,豆血红蛋白的含量和组分直接影响根瘤内固氮酶的活性,并使其在豆科植物生物固氮中发挥关键作用。其实,生物固氮研究已有上百年的历史,但迄今为止有关根瘤内豆血红蛋白基因表达调控机制仍不清楚。

为根瘤菌找到“舒适的家”

Jeremy团队把目标瞄准了NLP。NLP家族是植物特有的一类转录因子,它能够结合靶基因启动因子中的特殊“元件”,即硝酸盐响应元件(NRE),进而激活下游基因的表达,参与调节植物氮代谢过程。他们研究发现,NLP家族中的两个成员NLP2和NIN在根瘤中具有“高人一等”的表达量。

“在对NLP2突变体根瘤进行分析时意外发现,当植物缺少NLP2后,豆血红蛋白的表达也受到了影响,并具有比野生型更浅的粉红色。”姜苏育说。

Jeremy进一步解释道,NLP2突变体根瘤中的豆血红蛋白和血红素水平显著降低,这就解释了为什么突变体根瘤粉红色较浅。“因为突变发生在转录因子中,这是一种可以启动其他因子表达的蛋白质。”因此他们猜测,这个基因可能会激活豆血红蛋白的表达。

然后,研究团队对不同种类豆科植物的豆血红蛋白基因分析发现,一个DNA序列存在于所有豆血红蛋白基因启动子中,他们称为双重硝酸盐响应元件(dNRE)。NLP2“认出”dNRE,调控豆血红蛋白的表达,从而平衡固氮所必需的氧气微环境,也就是说为根瘤菌找到了“舒适的家”。

Jeremy认为,dNRE和NLP2仅在豆科植物中高度保守,暗示着其进化有助于提高根瘤中豆血红蛋白的表达水平。而非共生血红蛋白在植物体内清除氧气方面起着重要作用,有助于植物在低氧环境下生存。这也为水稻、玉米等非豆科植物实现自主固氮的研究提供了新见解。

Jeremy团队成功破解豆科植物固氮“氧气悖论”,为生物固氮成为新型氮肥来源提供了可能,对节约农业生产成本和生态环境保护具有重要意义。

Jeremy于2017年全职加入分子植物卓越中心。其团队同时隶属于中国科学院与英国约翰·英纳斯中心合作共建的国际联合单元植物和微生物科学联合研究中心。

该研究得到中国科学院基础研究青年科学家项目、国家自然科学基金、国家重点研发项目、中国科学院先导科技专项和国家重点实验室的资助。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1126/science.abg5945

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