當(dāng)下，人們往往施用氮肥來提高農(nóng)作物產(chǎn)量。我國氮肥利用率僅為30%左右，而且化學(xué)生產(chǎn)氮肥需要耗費大量的能量。

豆科植物已經(jīng)存在了數(shù)千萬年，我國周朝的學(xué)者就注意到了它對農(nóng)業(yè)的重要性。作為世界三大糧食作物之一，大多豆科植物能形成高效的“固氮工廠”，將空氣中的氮氣轉(zhuǎn)變成植物可利用的氨，是潛在的新型氮肥來源。

2021年10月29日，國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心杰睿（Jeremy Dale Murray）研究組與合作團隊完成的研究論文，他們闡述了豆科植物“固氮”的新調(diào)控機制。這有助于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。

【“根據(jù)DNA追溯該調(diào)控模式的前世今生”】

神奇的大自然有天然的生物固氮系統(tǒng)——土壤中的固氮菌，大多豆科植物能與其建立共生關(guān)系，形成天然、高效的“固氮工廠”——根瘤。

根瘤中含有大量的固氮工具，能夠?qū)⒖諝庵械牡獨廪D(zhuǎn)變成植物可利用的氨。為了提高根瘤菌的固氮能力，豆科植物會產(chǎn)生大量豆血紅蛋白來緊密結(jié)合根瘤中的氧氣，進而有效提高“固氮工廠”的工作效率，但一直以來豆科植物如何調(diào)控豆血紅蛋白基因的表達尚不清楚。

“每棵植物的歷史都鐫刻在其DNA中，我們則根據(jù)其DNA追溯到該調(diào)控模式的前世今生?！苯茴Ｕf。

NLP家族是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，參與調(diào)節(jié)植物氮代謝過程。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?！坝幸馑嫉氖牵覀冊趯LP2突變體根瘤進行分析時，意外地發(fā)現(xiàn)當(dāng)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?！?/p>

該團隊進一步揭示了NLP家族成員NIN和NLP2通過直接結(jié)合特殊的“硝酸鹽響應(yīng)元件”，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。

該研究首次發(fā)現(xiàn)豆科植物中NLP家族直接調(diào)控豆血紅蛋白表達，揭示了豆科植物如何建造“固氮工廠”的分子機制，為提高豆科植物的固氮能力提供了理論支撐。

【“我在上海的研究組規(guī)模比之前的都大”】

杰睿是一名來自加拿大的外籍科學(xué)家，如今他是中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心的一名全職研究員。像他一樣的外籍全職科學(xué)家，在分子植物卓越中心還有6位，分別來自希臘、日本、韓國和西班牙。

為何選擇了上海？杰睿說，之前他在英國約翰·英納斯中心工作了7年之久，他的兩位同事謝芳和王二濤，先后來到了分子植物卓越中心，并做出了出色的研究?！斑@個研究機構(gòu)在國際上也是非常知名的，因此我想來中國看一看?！苯茴５钠拮邮且晃恢袊耍@也堅定了他來到中國的決心。

如今，杰睿來到上海已經(jīng)快3年了，盡管不會說中文，但他表示在這里工作很開心。分子植物卓越中心為他配備了科研“管家”，處理各種日常事務(wù)，這樣他可以專注于自己的研究?！拔以谏虾５难芯拷M規(guī)模比之前的都大，許多想要做的研究都可以去探索。”

“能否把豆科植物固氮的基因，放到玉米、水稻等非豆科植物中去，是國際上的一個熱點問題，比爾·蓋茨在國外也資助了相關(guān)項目。”分子植物卓越中心副主任王佳偉說。

據(jù)介紹，分子植物卓越中心在這方面的研究具有“集群效應(yīng)”，包括杰睿在內(nèi)的3個研究組，其研究方向分別處于該領(lǐng)域的“上中下游”，已形成研究的“全鏈條”?！拔覈鴮χ参锟茖W(xué)研究的支持力度越來越大，相信會有更多高質(zhì)量的產(chǎn)出?！?/p>

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