【上海新闻广播】豆科植物如何建造“固氮工厂”？ 《科学》发表这位在沪外籍科学家的重要成果
文章来源：分子植物科学卓越创新中心 | 发布时间：2021-10-29 | 【】 【】
在地球生存了数千万年的豆科植物有个强大的本领，从自然界中获取营养--氮肥。因为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。类似人体血液中的血红蛋白，存在于豆科植物根瘤中的豆血红蛋白的含量和组分，直接影响根瘤内固氮酶的活性。但是迄今为止，有关根瘤内豆血红蛋白基因表达调控机制还不清楚。
北京时间今天（29）凌晨，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外籍研究员杰睿（jeremy dale murray）研究组及合作团队的最新成果。经过多年研究，团队首次发现转录因子nlp家族调控根瘤中豆血红蛋白基因表达的分子机制，揭示了豆科植物建造“固氮工厂”的秘密，为提高豆科植物的固氮能力提供了理论基础。
研究发现，豆科植物的nlp基因家族成员nlp2和nin在根瘤中高度表达。当植物缺少nlp2时，豆血红蛋白基因的表达受到抑制，导致根瘤的固氮能力显著下降。豆血红蛋白与哺乳动物血红蛋白相似，包含了血红素和蛋白质。一方面，豆血红蛋白可以结合根瘤细胞中的氧气，使根瘤细胞处于低氧微环境，同时豆血红蛋白还可以将氧气释放给固氮细菌供其呼吸。研究进一步发现，nlp2和nin可以通过结合特殊的“硝酸盐响应位点”，来激活根瘤中豆血红蛋白基因的表达，进而平衡根瘤中氧气含量，促使根瘤高效固氮。相关研究，进一步追溯到这一调控机制的进化和起源。
农业生产中人们往往是用大量工业氮肥来提高作物产量。我国氮肥施用量约为世界总施用量的1/3，但是其利用率仅为30%左右。该成果首次发现豆科植物中nlp家族直接调控豆血红蛋白基因的表达，揭示了豆科植物如何建造固氮工厂的分子机制，为提高豆科植物的固氮能力提供了理论支撑，同时有助于水稻和玉米等非豆科植物实现自主固氮，进而减少工业化肥的使用，对节能减排和环境保护具有重大意义。
值得一提的是，团队带头人、加拿大籍科学家杰睿长期从事植物固氮领域研究，2017年至今任中国科学院分子植物科学创新中心研究员，植物分子遗传国家重点实验室研究员。中心良好的科研土壤是杰睿选择来上海发展的一大关键。
据介绍，在植物固氮领域，分子植物科学卓越创新中心此前引进的谢芳研究员、王二涛研究员已在各自科研方向上取得一系列国际领先成果。杰睿团队加入后，三支团队各有互补，相辅相成，使得中心在该领域研究的国际竞争中拥有“集群优势”。此次杰睿团队的最新成果，王二涛研究员也参与了部分工作。杰睿相信，在上海，在分子植物科学卓越创新中心，他的研究还将更进一步。
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