【第一財經(jīng)】植物自身也能生成化肥？中科院團(tuán)隊《科學(xué)》論文揭示重要突破
文章來源：分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時間：2021-10-29 | 【打印】 【關(guān)閉】
為應(yīng)對全球氣候的變化，各國也在不斷提高節(jié)能減排的要求。對于依賴工業(yè)化肥的植物來說，是否有一天也能自己生成化肥？
10月29日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心Jeremy Dale Murray（杰睿）研究組及合作團(tuán)隊就有重大發(fā)現(xiàn)，他們在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表了題為 “NIN-Like Protein Transcription Factors Regulate Leghemoglobin Genes in Legume Nodules（根瘤起始類蛋白轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控豆科植物根瘤中的豆血紅蛋白基因的表達(dá)）” 的研究論文。該研究首次發(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。同時研究還挖掘出該調(diào)控機(jī)制的進(jìn)化和起源。
簡而言之，該研究揭示了豆科植物如何建造“固氮工廠”。
“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，我們的成果闡述了豆科植物固氮的新調(diào)控機(jī)制，這也為提高豆科植物的固氮能力提供了理論基礎(chǔ)?！闭撐牡谝蛔髡?、分子植物卓越中心助理研究員姜蘇育告訴第一財經(jīng)。
農(nóng)業(yè)綠色革命以來，氮肥主要來自化學(xué)生產(chǎn)，而自然界有天然的生物固氮系統(tǒng)——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(guān)系，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(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，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(huán)境中才能工作，但是宿主細(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)胞通過合成大量的共生血紅蛋白（又名豆血紅蛋白）來調(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)。”論文通訊作者Jeremy告訴第一財經(jīng)，結(jié)合了鐵元素的血紅素可與氧氣結(jié)合降低其含量，同時，還可以將結(jié)合的氧氣釋放給類菌體供其呼吸。豆血紅蛋白使根瘤呈現(xiàn)粉紅色，因此豆科植物的根瘤看起來是粉紅色的。
在雙碳背景下，該研究發(fā)現(xiàn)也有重要意義。
對于已經(jīng)存在數(shù)千萬年的豆科植物，對農(nóng)業(yè)的重要性不言而喻。由于能源成本的逐年提高，氮肥的生產(chǎn)成本也在增加。因此，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。
該研究成果有助于對水稻和玉米等非豆科植物實現(xiàn)自主固氮的研究，進(jìn)而降低工業(yè)氮肥的使用，對于節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重大意義。
“工業(yè)化肥的生產(chǎn)和施用對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，如果實現(xiàn)非豆科植物固氮，提升植物氮素利用效率，就可以大大減少化肥的利用。不只是Jeremy，我們中心一共有三個研究組在做這個研究，而且這三個組的牽頭人，他們都是前后一起加入的中心?！狈肿又参镒吭街行母敝魅瓮跫褌ソ榻B道。
談及為何來到上海工作，Jeremy對記者說，在植物分子領(lǐng)域，這個研究所非常知名?！岸宜锪硗鈨蓚€研究組的牽頭人我們在英國時就已認(rèn)識，我們都在做同一個領(lǐng)域的研究，他們也相繼來上海加入到了中心。這里的研究團(tuán)隊比我在國外時大很多，可以去研究更多的東西。”
