中國青年報客戶端上海10月29日電（中青報·中青網(wǎng)記者王燁捷）今天，國際學術(shù)期刊《科學》在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心Jeremy Dale Murray（杰瑞米·穆雷）研究組及合作團隊完成的題為 “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）” 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的分子機制。

NLP（NIN-Like Protein）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特殊“元件”（硝酸鹽響應(yīng)元件，Nitrate Response Element，NRE）來激活下游基因的表達，參與調(diào)節(jié)植物氮代謝過程。Murray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，意外地發(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。

該團隊的進一步研究揭示了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（double Nitrate Response Element, dNRE）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。

農(nóng)業(yè)綠色革命以來，氮肥主要來自化學生產(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。

豆血紅蛋白存在于豆科植物根瘤中，類似人體血液中的血紅蛋白，包含了血紅素和蛋白質(zhì)。在氧氣濃度過高時可以與氧氣結(jié)合，降低其含量；而在氧氣不足時，豆血紅蛋白還可以將氧氣釋放各類菌體供其呼吸，與氧氣結(jié)合的豆血紅蛋白使根瘤呈現(xiàn)粉紅色。由于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，在豆科植物生物固氮中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但是迄今為止有關(guān)根瘤內(nèi)豆血紅蛋白基因表達調(diào)控機制還尚無報道。

據(jù)悉，豆科植物已經(jīng)存在了數(shù)千萬年，周朝的學者就注意到了它對農(nóng)業(yè)的重要性。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。該研究成果闡述了豆科植物生物固氮的新調(diào)控機制，為提高豆科植物的固氮能力提供了理論基礎(chǔ)，并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)境保護具有重大意義。

該工作主要在中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心完成。中心助理研究員姜蘇育為論文第一作者，Jeremy Dale Murray研究員為通訊作者。該研究團隊同時隸屬于中國科學院與英國約翰·英納斯中心合作共建的國際聯(lián)合單元植物和微生物科學聯(lián)合研究中心。該研究主要受到中科院基礎(chǔ)研究青年科學家項目、國家自然科學基金、國家重點研發(fā)項目、中國科學院先導科技專項和國家重點實驗室的資助。

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