Jeremy在實(shí)驗(yàn)室。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心供圖

■本報(bào)記者 秦志偉 ■黃辛

根瘤被稱為豆科植物的“固氮工廠”，反映豆科植物與固氮根瘤菌的共生關(guān)系。豆血紅蛋白（又稱共生血紅蛋白）存在其中，是根瘤中調(diào)節(jié)氧氣濃度的“開關(guān)”，氧氣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歡低氧環(huán)境，“氧氣悖論”就產(chǎn)生了。這一悖論始終懸而未決，也就是說(shuō)，迄今為止有關(guān)根瘤內(nèi)豆血紅蛋白基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制仍不清楚。

10月29日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（以下簡(jiǎn)稱分子植物卓越中心）Jeremy Dale Murray團(tuán)隊(duì)成功破解固氮“氧氣悖論”，他們首次發(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。研究成果發(fā)表于《科學(xué)》。

“氧氣悖論”懸而未決

在自然界，植物生長(zhǎng)除了需要外界氮肥外，也會(huì)“自給自足”。如大豆等豆科植物，它們和細(xì)菌互利共生固氮，自我施肥。這就是豆科植物與固氮根瘤菌的共生關(guān)系產(chǎn)生的結(jié)果。

“氧氣悖論”的產(chǎn)生要從“固氮工廠”根瘤說(shuō)起。在其中，固氮作用的執(zhí)行者是類菌體。類菌體內(nèi)的固氮酶可“搖身一變”，將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)變?yōu)橹参锟衫�用的氨。與此同時(shí)，豆科植物可提供根瘤菌需要的碳水化合物，從而使豆科植物和根瘤菌實(shí)現(xiàn)互惠互利。

然而，固氮反應(yīng)過(guò)程需要消耗大量能量。對(duì)豆科植物來(lái)說(shuō)，這一“交換”是昂貴的。

更為關(guān)鍵的是，“固氮酶對(duì)氧氣高度敏感，需要在低氧環(huán)境下才能工作，但宿主細(xì)胞和根瘤菌本身的呼吸又需要大量氧氣”。Jeremy告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，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。

“豆血紅蛋白類似人體血液中的血紅蛋白，包含血紅素和蛋白質(zhì)。”Jeremy進(jìn)一步解釋道。結(jié)合了鐵元素的血紅素在氧氣濃度過(guò)高時(shí)可與氧氣結(jié)合，進(jìn)而降低氧氣含量；而在氧氣不足時(shí)，豆血紅蛋白可以將氧氣釋放給類菌體供其呼吸。

值得一提的是，豆血紅蛋白使根瘤呈現(xiàn)粉紅色。“這就解釋了豆科植物的根瘤為什么是粉紅色的。”論文第一作者、分子植物卓越中心助理研究員姜蘇育告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

已有研究表明，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，并使其在豆科植物生物固氮中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其實(shí)，生物固氮研究已有上百年的歷史，但迄今為止有關(guān)根瘤內(nèi)豆血紅蛋白基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制仍不清楚。

為根瘤菌找到“舒適的家”

Jeremy團(tuán)隊(duì)把目標(biāo)瞄準(zhǔn)了NLP。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)因子中的特殊“元件”，即硝酸鹽響應(yīng)元件（NRE），進(jìn)而激活下游基因的表達(dá)，參與調(diào)節(jié)植物氮代謝過(guò)程。他們研究發(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)意外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物缺少NLP2后，豆血紅蛋白的表達(dá)也受到了影響，并具有比野生型更淺的粉紅色。”姜蘇育說(shuō)。

Jeremy進(jìn)一步解釋道，NLP2突變體根瘤中的豆血紅蛋白和血紅素水平顯著降低，這就解釋了為什么突變體根瘤粉紅色較淺。“因?yàn)橥蛔儼l(fā)生在轉(zhuǎn)錄因子中，這是一種可以啟動(dòng)其他因子表達(dá)的蛋白質(zhì)。”因此他們猜測(cè)，這個(gè)基因可能會(huì)激活豆血紅蛋白的表達(dá)。

然后，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同種類豆科植物的豆血紅蛋白基因分析發(fā)現(xiàn)，一個(gè)DNA序列存在于所有豆血紅蛋白基因啟動(dòng)子中，他們稱為雙重硝酸鹽響應(yīng)元件（dNRE）。NLP2“認(rèn)出”dNRE，調(diào)控豆血紅蛋白的表達(dá)，從而平衡固氮所必需的氧氣微環(huán)境，也就是說(shuō)為根瘤菌找到了“舒適的家”。

Jeremy認(rèn)為，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。而非共生血紅蛋白在植物體內(nèi)清除氧氣方面起著重要作用，有助于植物在低氧環(huán)境下生存。這也為水稻、玉米等非豆科植物實(shí)現(xiàn)自主固氮的研究提供了新見(jiàn)解。

Jeremy團(tuán)隊(duì)成功破解豆科植物固氮“氧氣悖論”，為生物固氮成為新型氮肥來(lái)源提供了可能，對(duì)節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

Jeremy于2017年全職加入分子植物卓越中心。其團(tuán)隊(duì)同時(shí)隸屬于中國(guó)科學(xué)院與英國(guó)約翰·英納斯中心合作共建的國(guó)際聯(lián)合單元植物和微生物科學(xué)聯(lián)合研究中心。

該研究得到中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究青年科學(xué)家項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。

相關(guān)論文信息：

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