大自然中，為何只有豆科植物能夠利用固氮菌建立起自己的“固氮工廠”，做到氮肥“自給自足”？今天凌晨，國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志在線發(fā)表中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心的加拿大學(xué)者杰睿的研究成果，從基因?qū)用娼忉屃藶楹味箍浦参飼碛泄痰绢I(lǐng)。

化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的氮肥雖然為農(nóng)業(yè)帶來了高產(chǎn)，卻也帶來了利用率不高、環(huán)境污染等問題。其實，自然界有天然的生物固氮系統(tǒng)——土壤中的固氮菌，可惜的是，在千萬年的進(jìn)化中，只有部分豆科植物有利用固氮菌，形成高效“固氮工廠”根瘤的本領(lǐng)。

為何其他植物利用不上這么好的資源呢？過往研究發(fā)現(xiàn)，原來，靠固氮菌固定“氮”，對植物來說是一種“昂貴的交換”：植物需要為固氮菌提供其所需的碳水化合物，來交換固氮菌利用空氣合成的氨，由于固氮反應(yīng)會消耗大量能量，對植物來說是一筆不小的“開支”。更麻煩的是，根瘤中的“固氮工人”固氮酶必須在低氧環(huán)境中才能工作，這與固氮菌和植物的氧氣需求恰好相反。這種“氧氣悖論”也使豆科以外的植物們對自主固氮望而卻步。

那么，豆科植物又是如何解決“氧氣悖論”難題的？四年前，杰睿通過中國科學(xué)院-英國約翰·英納斯中心植物和微生物科學(xué)聯(lián)合研究中心來到上海，在分子植物卓越中心建起了自己的實驗室?！芭c在英國相比，這里我能指導(dǎo)更多的博士后和博士生，能做成更多事。”這位曾在加拿大、美國、英國從事科研的學(xué)者，在上海對國際植物領(lǐng)域的這一熱門難點(diǎn)，發(fā)起了探索。

在實驗中，研究團(tuán)隊意外發(fā)現(xiàn)，參與調(diào)節(jié)植物氮代謝過程的轉(zhuǎn)錄因子NIN和NLP2在根瘤中具有“高人一等”的表達(dá)量，而當(dāng)NLP2缺失之后，根瘤中的豆血紅蛋白就會減少，固氮能力也隨之顯著下降。

“豆血紅蛋白其實與動物的血紅蛋白是有相似之處的，也具有平衡氧氣的本領(lǐng)。”論文第一作者、杰睿研究團(tuán)隊的助理研究員姜蘇育介紹，豆血紅蛋白在平衡根瘤內(nèi)的氧氣中發(fā)揮重要作用，有助于豆科植物更好地進(jìn)行共生固氮，“在根瘤中，它可以帶走部分氧氣，為固氮酶創(chuàng)造適宜工作的低氧環(huán)境，又能將氧氣提供給固氮菌，維持著‘固氮工廠’中微妙的氧氣供需平衡”。

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?！斑@兩個基因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?！苯茴ＵJ(rèn)為，每棵植物的歷史都鐫刻在其DNA中，科學(xué)家則能據(jù)此追溯其調(diào)控模式的前世今生。

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，NLP家族其他成員能夠在其他植物中激活體內(nèi)的血紅蛋白基因表達(dá)。豆科植物已經(jīng)存在了數(shù)千萬年，在我國周朝時期，人們就已經(jīng)注意到了它對農(nóng)業(yè)的重要性。該研究成果對推進(jìn)生物固氮發(fā)展為新型的氮肥來源具有重要意義，不僅有助于提高豆科植物固氮能力，更有助于水稻和玉米等非豆科植物實現(xiàn)自主固氮。

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