点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:豆科植物固氮“氧气悖论”破解
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

豆科植物固氮“氧气悖论”破解

来源:《中国科学报》2021-10-29 09:57

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  Jeremy在实验室。中国科学院分子植物科学卓越创新中心供图

  根瘤被称为豆科植物的“固氮工厂”,反映豆科植物与固氮根瘤菌的共生关系。豆血红蛋白(又称共生血红蛋白)存在其中,是根瘤中调节氧气浓度的“开关”,氧气是豆科植物和根瘤菌呼吸必需的,但根瘤菌中的固氮酶更喜欢低氧环境,“氧气悖论”就产生了。这一悖论始终悬而未决,也就是说,迄今为止有关根瘤内豆血红蛋白基因表达的调控机制仍不清楚。

  10月29日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心(以下简称分子植物卓越中心)Jeremy Dale Murray团队成功破解固氮“氧气悖论”,他们首次发现转录因子NLP家族调控根瘤中豆血红蛋白基因表达的分子机制。研究成果发表于《科学》。

  “氧气悖论”悬而未决

  在自然界,植物生长除了需要外界氮肥外,也会“自给自足”。如大豆等豆科植物,它们和细菌互利共生固氮,自我施肥。这就是豆科植物与固氮根瘤菌的共生关系产生的结果。

  “氧气悖论”的产生要从“固氮工厂”根瘤说起。在其中,固氮作用的执行者是类菌体。类菌体内的固氮酶可“摇身一变”,将空气中的氮气转变为植物可利用的氨。与此同时,豆科植物可提供根瘤菌需要的碳水化合物,从而使豆科植物和根瘤菌实现互惠互利。

  然而,固氮反应过程需要消耗大量能量。对豆科植物来说,这一“交换”是昂贵的。

  更为关键的是,“固氮酶对氧气高度敏感,需要在低氧环境下才能工作,但宿主细胞和根瘤菌本身的呼吸又需要大量氧气”。Jeremy告诉《中国科学报》,为了同时满足固氮酶、宿主细胞与根瘤菌的不同需求,根瘤细胞通过合成大量的豆血红蛋白来调节氧气浓度。

  “豆血红蛋白类似人体血液中的血红蛋白,包含血红素和蛋白质。”Jeremy进一步解释道。结合了铁元素的血红素在氧气浓度过高时可与氧气结合,进而降低氧气含量;而在氧气不足时,豆血红蛋白可以将氧气释放给类菌体供其呼吸。

  值得一提的是,豆血红蛋白使根瘤呈现粉红色。“这就解释了豆科植物的根瘤为什么是粉红色的。”论文第一作者、分子植物卓越中心助理研究员姜苏育告诉《中国科学报》。

  已有研究表明,豆血红蛋白的含量和组分直接影响根瘤内固氮酶的活性,并使其在豆科植物生物固氮中发挥关键作用。其实,生物固氮研究已有上百年的历史,但迄今为止有关根瘤内豆血红蛋白基因表达调控机制仍不清楚。

  为根瘤菌找到“舒适的家”

  Jeremy团队把目标瞄准了NLP。NLP家族是植物特有的一类转录因子,它能够结合靶基因启动因子中的特殊“元件”,即硝酸盐响应元件(NRE),进而激活下游基因的表达,参与调节植物氮代谢过程。他们研究发现,NLP家族中的两个成员NLP2和NIN在根瘤中具有“高人一等”的表达量。

  “在对NLP2突变体根瘤进行分析时意外发现,当植物缺少NLP2后,豆血红蛋白的表达也受到了影响,并具有比野生型更浅的粉红色。”姜苏育说。

  Jeremy进一步解释道,NLP2突变体根瘤中的豆血红蛋白和血红素水平显著降低,这就解释了为什么突变体根瘤粉红色较浅。“因为突变发生在转录因子中,这是一种可以启动其他因子表达的蛋白质。”因此他们猜测,这个基因可能会激活豆血红蛋白的表达。

  然后,研究团队对不同种类豆科植物的豆血红蛋白基因分析发现,一个DNA序列存在于所有豆血红蛋白基因启动子中,他们称为双重硝酸盐响应元件(dNRE)。NLP2“认出”dNRE,调控豆血红蛋白的表达,从而平衡固氮所必需的氧气微环境,也就是说为根瘤菌找到了“舒适的家”。

  Jeremy认为,dNRE和NLP2仅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。而非共生血红蛋白在植物体内清除氧气方面起着重要作用,有助于植物在低氧环境下生存。这也为水稻、玉米等非豆科植物实现自主固氮的研究提供了新见解。

  Jeremy团队成功破解豆科植物固氮“氧气悖论”,为生物固氮成为新型氮肥来源提供了可能,对节约农业生产成本和生态环境保护具有重要意义。

  Jeremy于2017年全职加入分子植物卓越中心。其团队同时隶属于中国科学院与英国约翰·英纳斯中心合作共建的国际联合单元植物和微生物科学联合研究中心。

  该研究得到中国科学院基础研究青年科学家项目、国家自然科学基金、国家重点研发项目、中国科学院先导科技专项和国家重点实验室的资助。

  记者 秦志伟 黄辛

[ 责编:涂子怡 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 2026国际(武汉)智能建造产业博览会开幕

  • 西渝高铁樊哙站2号六线特大桥顺利合龙

独家策划

推荐阅读
10月26日,国家药监局批准全球首个活化凝血因子XI(FXI)抑制剂阿舒克森片(商品名:舒华博)上市,用于降低缺血性卒中或高风险短暂性脑缺血发作(TIA,又称“小中风”)成人患者的卒中风险,不包括心源性栓塞型卒中患者。
2026-10-28 10:18
超市里的肉,颜色看着挺好,但它真的新鲜吗?答案远非肉眼能及。
2026-10-28 10:05
算法依赖云端数据,也把隐私风险从个人终端延伸到平台和云端,成为无法回避的公共议题。分层定价应遵循公开、可解释的商业逻辑;算法越了解消费者,平台越应以此维护公平、保护隐私。
2026-10-28 09:42
近年来,河北省唐山市丰南区将发展特色农业作为富民兴农重要抓手,大力发展麻山药、白萝卜等特色农作物种植,并推行标准化管理,促进农业增效、农民增收,助力乡村振兴。图为10月26日,唐山市丰南区小集镇的农民在田间收获麻山药。
2026-10-28 09:44
生态文明建设是关系中华民族永续发展的根本大计。我国高度重视生态环境犯罪的立法和司法,使包括环境污染、生态破坏、资源滥用在内的生态环境犯罪罪刑规范不断完善。
2026-10-28 09:43
联合国教科文组织打造技能供给的普惠发展底座,世界技能组织则以世赛为全球性平台,逐级检验多层次培养方式的效度。可以说,世赛既是推动技能普惠发展、标准互认对齐的过程,更是提升技能人才培养质量的有力抓手。
2026-10-27 09:43
在极端天气阻断鸟类天然觅食通道之时,由专业机构实施救助性补饲,是必要的保护措施。从管理实践看,人工投喂行为需要科学评估、分类施策,而我国的制度供给正不断完善。
2026-10-27 09:46
江苏苏州深耕健康城市建设,将健康医疗服务能力水平列入全市高质量发展综合考核,把体教融合、体卫融合、食品安全保障等内容增至健康中国行动重点任务中;新华社发  “北京密云区联合北大第一医院设立了全科医师综合能力培养项目,我是第二批培训学员。
2026-10-27 09:44
10月23日,国家统计局社科文司《中国创新指数研究》课题组发布的2025年中国创新指数测算结果显示:2025年中国创新指数达到185.5(以2015年为100),比2024年增长6.4%,增幅较上年提高1.1个百分点。
2026-10-27 09:53
今年3月,7岁的俊俊在华中科技大学同济医学院附属协和医院成功植入我国自主研发,全球最轻、最小的儿童磁悬浮“人工心脏”。2021年,协和医院心脏大血管外科团队与深圳核心医疗科技股份有限公司携手,启动针对低龄、低体重患儿的磁悬浮心室辅助装置研发项目。
2026-10-27 09:51
在“云端”架起“飞虹”、让天堑变为通途,近年来不断刷新的桥梁纪录,成为新时代我国工程科技突破的生动缩影。目前,我国高层次科技人才数量居全球前列,人才红利特别是“工程师红利”不断强化,为“超级工程”积蓄了绵绵不绝的人才力量。
2026-10-27 09:49
医药领域知识产权投资,关键不是“买专利”,而是投资一条从科研发现走向临床和市场的完整链条,打通从基础研究到产业落地的转化堵点。知识产权投资应更注重投早、投小、投长期、投硬科技,同时引入科研、临床、产业、法律和金融等多方专业力量。
2026-10-26 10:21
记者13日从民政部获悉,为发展壮大康复辅助器具产业,实现产业体系整体跃升,增进民生福祉,民政部等14部门日前联合印发《康复辅助器具产业扩能提质三年行动方案(2026—2028年)》。
2026-10-26 10:21
随着京津冀协同发展走向深入,唐山凭借不断升级的全域养老服务网络,渐渐成为京津老人跨城养老的热门目的地。如今,唐山正把“老有所养、老有所乐”的民生承诺,一步步变成老人触手可及的幸福日常。
2026-10-26 10:20
在南京,数据标注企业提供“燃料”、大模型企业主攻算法、政府持续推动场景开放,一体化产业生态逐步成型。会上,江苏发布“物理AI与世界模型高质量数据集建设行动计划”,展示一批“物理AI与世界模型”典型成果与典型场景,为全国行业发展提供实践参考。
2026-10-26 10:20
供需适配不能局限于满足企业眼前的用工需求,还应兼顾产业升级方向、人才培养周期和学生发展需要。建设技能型高校“国家队”,不仅要办好一批头部学校,更要探索其他学校可借鉴、可复制的改革发展路径。
2026-10-26 10:20
抵抗宏观物理破坏的“划不坏”能力,正是低功耗量子器件最重要的特质之一。
2026-10-23 04:20
2025年我国海洋生产总值突破11万亿元,占国内生产总值比重为7.9%。
2026-10-23 04:20
海洋能规模化利用迈出坚实步伐、取得积极成效。
2026-10-23 04:20
应急监测队不惧艰险、不计得失,以监测为刃、以坚守为盾。
2026-10-23 04:40
加载更多