科技日報訊 （岑盼 記者王春）生物固氮作為潛在的新型氮肥來源，對于農(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隊首次發(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的分子機制。10月底，相關(guān)成果在國際學(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諝庵械牡獨廪D(zhuǎn)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(yīng)過程需要消耗大量的能量，不僅如此，固氮酶對氧氣高度敏感，需要在低氧環(huán)境中才能工作，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，根瘤細胞通過合成大量的豆血紅蛋白來調(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調(diào)控機制還尚無報道。
NLP家族是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，它能夠結(jié)合靶基因啟動子中的硝酸鹽響應(yīng)元件，并激活下游基因的表達，參與調(diào)節(jié)植物氮代謝過程。杰里米研究團隊發(fā)現(xiàn)，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，團隊意外發(fā)現(xiàn)，當植物缺少了NLP2后，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。
基于此，團隊進一步研究揭示了NLP家族成員NIN和NLP2通過直接結(jié)合豆科植物保守的雙重硝酸鹽響應(yīng)元件來激活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(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，暗示著其進化有助于提高根瘤中豆血紅蛋白的表達水平。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。研究團隊發(fā)現(xiàn)，其他NLP能夠通過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。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)，同時研究還挖掘出該調(diào)控機制的進化和起源。
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