首次发现调控根瘤中豆血红蛋白基因表达的分子

10月29日，国际学术期刊《科学》在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心Jeremy Dale Murray研究组及合作团队完成的题为 “根瘤起始类蛋白转录因子调控豆科植物根瘤中的豆血红蛋白基因的表达” 的研究论文，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。

农业使用的氮肥主要来自化学生产，而自然界有天然的生物固氮系统，即土壤中的固氮菌。豆科植物大多能与固氮根瘤菌建立共生关系，形成高效的“固氮工厂”根瘤。根瘤中含有大量的固氮工具类菌体。类菌体内的固氮酶能够将空气中的氮气转变成植物可利用的氨，同时植物可提供根瘤菌需要的碳水化合物，从而互惠互利。

然而，固氮反应过程需要消耗大量的能量，对植物来说是比较“昂贵”的交换，不仅如此，固氮酶对氧气高度敏感，需要在低氧环境中才能工作，但是宿主细胞和根瘤菌本身的呼吸作用又需要大量氧气。

在豆科植物根瘤中，存在豆血红蛋白，与人体血液中的血红蛋白相似，包含了血红素和蛋白质，根瘤细胞通过合成大量的豆血红蛋白来调节氧气浓度。血红素在氧气浓度过高时可以与氧气结合，降低其含量；而在氧气不足时，豆血红蛋白还可以将氧气释放给类菌体供其呼吸，与氧气结合的豆血红蛋白使根瘤呈现粉红色。豆血红蛋白的含量和组分直接影响根瘤内固氮酶的活性，在豆科植物生物固氮中发挥关键作用。但是，迄今为止有关根瘤内豆血红蛋白基因表达调控机制尚未被揭示。

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子中的特殊“元件”来激活下游基因的表达，参与调节植物氮代谢过程。Jeremy Dale Murray研究团队发现，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，意外地发现当植物缺少了NLP2后，豆血红蛋白基因的表达也受到了影响，同时根瘤的固氮能力下降。

该团队的研究揭示了NLP家族成员NIN和NLP2通过直接结合豆科植物保守的双重硝酸盐响应元件来激活根瘤中豆血红蛋白基因的表达，平衡固氮所必需的氧气微环境。分析表明，双重硝酸盐响应元件和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。研究团队发现，其他NLP能够通过植物中普遍存在的硝酸盐响应元件激活非共生血红蛋白基因的表达。这表明NLP-血红蛋白模块与缺氧生存的作用在根瘤中得以延续，以解决生物固氮的氧气悖论。同时研究还挖掘出该调控机制的进化和起源。

豆科植物已经存在了数千万年，周朝的学者们就注意到了它对农业的重要性。由于能源成本的逐年提高，氮肥的生产成本也在增加。因此，生物固氮作为潜在的新型氮肥来源，对于农业可持续发展具有重要意义。该研究成果阐述了豆科植物生物固氮的新调控机制，为提高豆科植物的固氮能力提供了理论基础，并有助于对水稻和玉米等非豆科植物实现自主固氮的研究，进而降低工业氮肥的使用，对于节约农业生产成本和生态环境保护具有重要意义。

Jeremy Dale Murray研究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。该研究主要受到中科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。

Jeremy Dale Murray研究员来自加拿大，中文名杰睿。早在2010年至2017年，他在英国约翰·英纳斯中心担任课题组长时就与该中心的中国研究人员王二涛、谢芳相识，并在豆科植物“固氮”领域的研究上紧密合作。谢芳、王二涛先后回到中科院分子植物科学卓越创新中心工作，2017年，杰睿也随他们而来，成为该中心研究员。因为太太是上海人的缘故，熟悉中国文化的杰睿，迅速地融入到上海的科研环境中，并取得卓著的科研成果，多篇研究成果发表在国际顶尖学术期刊上。“中科院分子植物科学卓越创新中心为我配备了专职的科研助理，还有多位优秀的研究生组成了强大的科研团队，为我的研究提供了重要的支持。”杰睿说。

Jeremy研究员观察植物生长情况

漫画解析转录因子NLP家族调控根瘤中豆血红蛋白基因表达的分子机制。中科院分子植物科学卓越创新中心供图

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/zonghexinwen/2021/1031/1313.html