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 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 习近平会见越共中央总书记特使黎怀忠

  • 河北唐山:发展设施农业 助力乡村振兴

独家策划

推荐阅读
2025年我国人均粮食占有量达到508.9公斤,远超国际公认的400公斤的安全线,粮食等重要农产品供给丰富、市场平稳、储备充足。
2026-02-05 10:15
一代代南来北往的科研“候鸟”安心在三亚当起了“留鸟”,南繁热土上,他们用坚守加速农业科研进程,守护着国家粮食安全的希望。
2026-02-05 10:06
工业和信息化部等八部门近日联合印发《汽车数据出境安全指引(2026版)》,推动建立高效便利安全的汽车数据跨境流动机制,提升汽车数据出境便利化水平。
2026-02-05 10:03
近日,内蒙古大学化学化工学院刘健教授、王艳琴副教授团队在节能制绿氢联产高附加值化学品领域取得重大突破,在《自然》子刊发表研究成果。
2026-02-05 10:01
近日,四川达州宣汉县深层海相钾盐资源分采分运攻关实验配套装置顺利完成试车,成功提取出高纯度氯化钾产品。
2026-02-05 10:01
我国互联网事业的蓬勃发展,既为“十四五”收官交出了亮眼答卷,也为“十五五”布局奠定了坚实基础。
2026-02-05 10:12
L5点位于地球的“后方”,位于该点的人造探测器无需消耗太多燃料就可以稳定长期驻留,因此“羲和二号”的设计寿命将长达7年。
2026-02-04 09:13
《月令七十二候集解》记载:“立,建始也”,“立”即“开始”之意。那么,立春的“立”,意味着怎样的开始?
2026-02-04 09:34
寒冬腊月,新春的氛围已在市井烟火中渐渐浓厚。进入寒假的第7天,在位于青岛的山东科技大学土木工程与建筑学院办公室里,教授李为腾和研究生杨光辉正在讨论工作。
2026-02-04 09:27
进藏工作10余年,那曲市农牧业(草业)科技研究推广中心畜牧师何世丞感慨颇深:“保护这片广袤而脆弱的草原,挑战不小,但我们一直在行动。”
2026-02-04 09:32
桥式起重机的轰响打破宁静,长十余米、重数十吨的火箭芯一级被缓缓吊离托座。操作手董磊手持控制设备,眼睛紧盯箭体,每一个动作都专注、沉稳。
2026-02-04 09:20
在人工智能(AI)和大数据时代背景下,高性能计算的战略地位已可与高能望远镜、同步辐射光源和粒子加速器等重大科研基础设施相提并论
2026-02-03 14:09
2月1日,农业农村部发布的《农产品质量安全承诺达标合格证管理办法》(以下简称《办法》)正式施行,我国农产品全面启用新版“身份证”——农产品质量安全承诺达标合格证。
2026-02-03 09:48
近日,记者从中国科学院空天信息创新研究院(以下简称空天院)获悉,该院成功开展超百G星地激光通信业务化应用实验,通信速率达到120吉比特每秒(Gbps)。”
2026-02-03 09:40
就像为一段混乱的进程找到慢放键,中国科学家在量子世界实现了一项关键控制。在量子世界中,系统在外部驱动下通常会逐步丢失初始信息,最终达到混乱的热平衡状态,该过程被称为“热化”。
2026-02-03 09:37
科技部日前发布的2024年度全国科普统计数据表明:我国科普人员队伍规模持续壮大,2024年全国科普专、兼职人员数量达221.27万,比2023年增长2.62%,其中,科普专职人员29.70万人,科普兼职人员191.57万人。
2026-02-03 09:36
2月2日是第30个“世界湿地日”。我国持续开展湿地保护修复,累计实施3800多个项目,新增和修复湿地面积100余万公顷;实施红树林保护修复和互花米草防治专项行动,累计营造红树林9200公顷,除治互花米草9.73万公顷。
2026-02-03 09:21
X光片显示的一名33岁患者的新肺(左)和旧肺。在这项研究中,Bharat表示,他的团队设计的这套人工肺系统,能够保持血液平稳且持续地流向心脏,从而降低了因血栓引发心脏病的风险。
2026-02-02 09:52
孙纯告诉《中国科学报》,时间规划的“艺术”在于,如何平衡优先和重大项目、自由观测申请项目以及可能突然出现的机遇型项目,让所有科研用户都能满意。再过十余天,孙纯的家人就会到基地与她团聚,而雷政今年终于可以回到遵义老家,与亲友相聚。
2026-02-02 09:51
通过研究月壤,我们可以进行优化模拟,从而更好服务后续探月任务。
2026-02-02 09:50
加载更多