生物固氮作為潛在的新型氮肥來(lái)源，對(duì)于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在豆科植物生物固氮中，豆血紅蛋白的含量和組分直接影響根瘤內(nèi)固氮酶的活性，發(fā)揮關(guān)鍵作用。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心杰里米·戴爾·默里研究組及合作團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子NLP家族調(diào)控根瘤中豆血紅蛋白基因表達(dá)的分子機(jī)制。10月底，相關(guān)成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。
豆科植物大多能與固氮根瘤菌建立共生關(guān)系，形成高效的“固氮工廠”——根瘤，根瘤中含有大量的類菌體。類菌體內(nèi)的固氮酶能夠?qū)⒖諝庵械牡獨(dú)廪D(zhuǎn)變成植物可利用的氨，同時(shí)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(yīng)過(guò)程需要消耗大量的能量，不僅如此，固氮酶對(duì)氧氣高度敏感，需要在低氧環(huán)境中才能工作，宿主細(xì)胞和根瘤菌本身的呼吸作用又需要大量氧氣。為了同時(shí)滿足固氮酶、宿主細(xì)胞與根瘤菌的不同需求，根瘤細(xì)胞通過(guò)合成大量的豆血紅蛋白來(lái)調(diào)節(jié)氧氣濃度。迄今為止有關(guān)根瘤內(nèi)豆血紅蛋白基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制還尚無(wú)報(bào)道。
NLP家族是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，它能夠結(jié)合靶基因啟動(dòng)子中的硝酸鹽響應(yīng)元件，并激活下游基因的表達(dá)，參與調(diào)節(jié)植物氮代謝過(guò)程。杰里米研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，NLP家族中的兩個(gè)成員NLP2和NIN在根瘤中具有“高人一等”的表達(dá)量，在對(duì)NLP2突變體根瘤進(jìn)行分析時(shí)，團(tuán)隊(duì)意外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物缺少了NLP2后，豆血紅蛋白基因的表達(dá)也受到了影響，同時(shí)根瘤的固氮能力下降。
基于此，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究揭示了NLP家族成員NIN和NLP2通過(guò)直接結(jié)合豆科植物保守的雙重硝酸鹽響應(yīng)元件來(lái)激活根瘤中豆血紅蛋白基因的表達(dá)，平衡固氮所必需的氧氣微環(huán)境。系統(tǒng)發(fā)育分析表明，dNRE和NLP2僅在豆科植物中高度保守，暗示著其進(jìn)化有助于提高根瘤中豆血紅蛋白的表達(dá)水平。而非共生血紅蛋白的攜氧特性有助于植物在低氧環(huán)境中生存。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，其他NLP能夠通過(guò)植物中普遍存在的硝酸鹽響應(yīng)元件激活非共生血紅蛋白基因的表達(dá)。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(xù)，同時(shí)研究還挖掘出該調(diào)控機(jī)制的進(jìn)化和起源。(岑盼 記者王春)
關(guān)鍵詞： 豆科植物 根瘤固氮能力 轉(zhuǎn)錄因子 NLP家族
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