植物能不能“自主施肥”?中科院團隊揭示豆科植物固氮的新調控機制

中國青年報客戶端上海10月29日電(中青報·中青網記者王燁捷)今天,國際學術期刊《科學》線上發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心Jeremy Dale Murray(傑瑞米·穆雷)研究組及合作團隊完成的題為 “NIN-Like Protein Transcription Factors Regulate Leghemoglobin Genes in Legume Nodules(根瘤起始類蛋白轉錄因子調控豆科植物根瘤中的豆血紅蛋白基因的表達)” 的研究論文。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。

植物能不能“自主施肥”?中科院團隊揭示豆科植物固氮的新調控機制

NLP(NIN-Like Protein)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,Nitrate Response Element,NRE)來啟用下游基因的表達,參與調節植物氮代謝過程。Murray研究團隊發現,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,在對nlp2突變體根瘤進行分析時,意外地發現當植物缺少了NLP2後,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。

該團隊的進一步研究揭示了NLP家族成員NIN和NLP2透過直接結合豆科植物保守的雙重硝酸鹽響應元件(double Nitrate Response Element, dNRE)來啟用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。

植物能不能“自主施肥”?中科院團隊揭示豆科植物固氮的新調控機制

農業綠色革命以來,氮肥主要來自化學生產,而自然界有天然的生物固氮系統——土壤中的固氮菌。豆科植物大多能與固氮根瘤菌建立共生關係,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。

然而固氮反應過程需要消耗大量的能量,對植物來說是比較“昂貴”的交換,不僅如此,固氮酶對氧氣高度敏感,需要在低氧環境中才能工作,但是宿主細胞和根瘤菌本身的呼吸作用又需要大量氧氣。為了同時滿足固氮酶、宿主細胞與根瘤菌的不同需求,根瘤細胞透過合成大量的共生血紅蛋白(又名豆血紅蛋白)來調節氧氣濃度。

豆血紅蛋白存在於豆科植物根瘤中,類似人體血液中的血紅蛋白,包含了血紅素和蛋白質。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,豆血紅蛋白還可以將氧氣釋放各類菌體供其呼吸,與氧氣結合的豆血紅蛋白使根瘤呈現粉紅色。由於豆血紅蛋白的含量和組分直接影響根瘤內固氮酶的活性,在豆科植物生物固氮中發揮關鍵作用,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尚無報道。

植物能不能“自主施肥”?中科院團隊揭示豆科植物固氮的新調控機制

據悉,豆科植物已經存在了數千萬年,周朝的學者就注意到了它對農業的重要性。由於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,對於農業可持續發展具有重要意義。該研究成果闡述了豆科植物生物固氮的新調控機制,為提高豆科植物的固氮能力提供了理論基礎,並有助於對水稻和玉米等非豆科植物實現自主固氮的研究,進而降低工業氮肥的使用,對於節約農業生產成本和生態環境保護具有重大意義。

該工作主要在中科院分子植物科學卓越創新中心完成。中心助理研究員姜蘇育為論文第一作者,Jeremy Dale Murray研究員為通訊作者。該研究團隊同時隸屬於中國科學院與英國約翰·英納斯中心合作共建的國際聯合單元植物和微生物科學聯合研究中心。該研究主要受到中科院基礎研究青年科學家專案、國家自然科學基金、國家重點研發專案、中國科學院先導科技專項和國家重點實驗室的資助。

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