新民晚報(bào)訊（記者 郜陽）大豆、豌豆等豆科植物，有一位親密無間的好朋友根瘤菌。兩者的共生關(guān)系形成一座高效、天然的“固氮工廠”——根瘤。根瘤中的固氮根瘤菌能將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)變成植物可利用的氨，不過這一過程得在低氧微環(huán)境下展開。

植物喜歡氧，細(xì)菌討厭氧，這可怎么辦？北京時(shí)間今天凌晨，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心杰睿（Jeremy Dale Murray）研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上在線發(fā)表研究論文，闡述了豆科植物生物固氮調(diào)控的新機(jī)制。

與哺乳動(dòng)物體內(nèi)有血紅蛋白相似，豆科植物體內(nèi)也有豆血紅蛋白。這也是為什么根瘤會(huì)呈粉紅色的原因——豆血紅蛋白含有鐵元素，當(dāng)鐵與氧結(jié)合時(shí)會(huì)呈現(xiàn)紅色。杰睿介紹，為了提高根瘤菌的固氮能力，豆科植物會(huì)產(chǎn)生大量豆血紅蛋白來緊密結(jié)合根瘤中的氧氣，進(jìn)而有效提高“固氮工廠”的工作效率。不過，科學(xué)家們對(duì)于豆科植物如何調(diào)控豆血紅蛋白基因的表達(dá)，一直沒有結(jié)論。

在中科院分子植物卓越中心助理研究員姜蘇育看來，包含了血紅素和蛋白質(zhì)的豆血紅蛋白更像是一位“工具人”。“一方面豆血紅蛋白可以結(jié)合根瘤細(xì)胞中的氧氣，使根瘤細(xì)胞處于低氧微環(huán)境；同時(shí)，豆血紅蛋白還可以將氧氣釋放給固氮細(xì)菌供其呼吸?！?/p>

據(jù)了解，NLP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(dòng)子中的特殊“元件”來激活下游基因的表達(dá)，參與調(diào)節(jié)植物氮代謝過程。杰睿研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，NLP家族中的兩個(gè)成員NLP2和NIN在根瘤中具有“高人一等”的表達(dá)量；在對(duì)NLP2突變體根瘤進(jìn)行分析時(shí)，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(dá)也受到了影響，同時(shí)根瘤的固氮能力下降?！癗LP2和NIN像一對(duì)姐妹，是同源基因。兩者相互合作，又有明確分工?！苯茴Ｑa(bǔ)充說。

研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，其他NLP能夠通過植物中普遍存在的硝酸鹽響應(yīng)元件激活非共生血紅蛋白基因的表達(dá)。這表明“NLP-血紅蛋白”調(diào)控模塊與缺氧生存的作用在根瘤中得以延續(xù)，以解決生物固氮的氧氣悖論。

要知道，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人們往往施用大量工業(yè)氮肥來提高作物產(chǎn)量。我國(guó)氮肥利用率僅為30%左右。杰睿研究團(tuán)隊(duì)的成果首次發(fā)現(xiàn)豆科植物NLP家族直接調(diào)控豆血紅蛋白表達(dá)，揭示了豆科植物如何建造“固氮工廠”的分子機(jī)制，為提高豆科植物的固氮能力提供了理論支撐。同時(shí)，這一成果也有助于水稻和玉米等非豆科植物實(shí)現(xiàn)自主固氮，進(jìn)而減少工業(yè)化肥的使用，對(duì)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)意義重大。

加拿大籍研究員杰睿2017年被中科院分子植物卓越中心引入，此前他在英國(guó)約翰·英納斯中心擔(dān)任課題組長(zhǎng)。他長(zhǎng)期聚焦可持續(xù)性農(nóng)業(yè)及世界食物安全問題的研究，對(duì)有益微生物如何在細(xì)胞和分子水平與植物相互作用方面的研究成果受到國(guó)際認(rèn)可，多次受邀請(qǐng)參加國(guó)際學(xué)術(shù)大會(huì)并做大會(huì)主題報(bào)告?！拔以谟?guó)時(shí)就認(rèn)識(shí)了王二濤研究員和謝芳研究員，兩人的研究領(lǐng)域也是共生固氮。不過，我們的側(cè)重點(diǎn)有所不同。當(dāng)兩人先后來到上海后，我也決定加入到中科院分子植物卓越中心?！苯茴１硎?。

杰睿很享受在上海的科研生活，每天都過得很充實(shí)，也很受研究團(tuán)隊(duì)成員的喜愛。他說：“在這兒，我有了更多的研究生，我能比以前做得更多更好。”中科院分子植物卓越中心副主任王佳偉介紹，我國(guó)近年來對(duì)植物科學(xué)的投入越來越大，中心也充分發(fā)揮群體效應(yīng)，在植物固氮領(lǐng)域的上中下游均有布局。為了方便杰睿在中國(guó)的科研，中心還為他配備了科研助理。

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