【文汇报】加拿大学者上海设立实验室四年，成果登上《科学》：揭开豆科植物固氮之谜
文章来源：分子植物科学卓越创新中心 | 发布时间：2021-10-29 | 【】 【】
大自然中，为何只有豆科植物能够利用固氮菌建立起自己的“固氮工厂”，做到氮肥“自给自足”？今天凌晨，国际著名学术期刊《科学》杂志在线发表中国科学院分子植物科学卓越创新中心的加拿大学者杰睿的研究成果，从基因层面解释了为何豆科植物会拥有固氮本领。
化学工业生产的氮肥虽然为农业带来了高产，却也带来了利用率不高、环境污染等问题。其实，自然界有天然的生物固氮系统——土壤中的固氮菌，可惜的是，在千万年的进化中，只有部分豆科植物有利用固氮菌，形成高效“固氮工厂”根瘤的本领。
为何其他植物利用不上这么好的资源呢？过往研究发现，原来，靠固氮菌固定“氮”，对植物来说是一种“昂贵的交换”：植物需要为固氮菌提供其所需的碳水化合物，来交换固氮菌利用空气合成的氨，由于固氮反应会消耗大量能量，对植物来说是一笔不小的“开支”。更麻烦的是，根瘤中的“固氮工人”固氮酶必须在低氧环境中才能工作，这与固氮菌和植物的氧气需求恰好相反。这种“氧气悖论”也使豆科以外的植物们对自主固氮望而却步。
那么，豆科植物又是如何解决“氧气悖论”难题的？四年前，杰睿通过中国科学院-英国约翰·英纳斯中心植物和微生物科学联合研究中心来到上海，在分子植物卓越中心建起了自己的实验室。“与在英国相比，这里我能指导更多的博士后和博士生，能做成更多事。”这位曾在加拿大、美国、英国从事科研的学者，在上海对国际植物领域的这一热门难点，发起了探索。
在实验中，研究团队意外发现，参与调节植物氮代谢过程的转录因子nin和nlp2在根瘤中具有“高人一等”的表达量，而当nlp2缺失之后，根瘤中的豆血红蛋白就会减少，固氮能力也随之显著下降。
“豆血红蛋白其实与动物的血红蛋白是有相似之处的，也具有平衡氧气的本领。”论文第一作者、杰睿研究团队的助理研究员姜苏育介绍，豆血红蛋白在平衡根瘤内的氧气中发挥重要作用，有助于豆科植物更好地进行共生固氮，“在根瘤中，它可以带走部分氧气，为固氮酶创造适宜工作的低氧环境，又能将氧气提供给固氮菌，维持着‘固氮工厂’中微妙的氧气供需平衡”。
该研究首次发现转录因子nlp家族调控根瘤中豆血红蛋白基因表达的分子机制。“这两个基因在豆科植物中高度保守，暗示着其进化有助于提高根瘤中豆血红蛋白的表达水平。”杰睿认为，每棵植物的历史都镌刻在其dna中，科学家则能据此追溯其调控模式的前世今生。
研究团队发现，nlp家族其他成员能够在其他植物中激活体内的血红蛋白基因表达。豆科植物已经存在了数千万年，在我国周朝时期，人们就已经注意到了它对农业的重要性。该研究成果对推进生物固氮发展为新型的氮肥来源具有重要意义，不仅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实现自主固氮。
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