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

  • 广西:凝心聚力 恢复生产生活秩序

独家策划

推荐阅读
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上强调,“十五五”时期是科技强国建设的关键攻坚期。必须抓住历史机遇,迎接时代挑战,加快推进高水平科技自立自强,向着到2035年建成科技强国的目标坚定迈进,扎扎实实以科技创新支撑和引领中国式现代化。
2026-07-10 09:45
围棋长期被视为高度依赖经验、直觉和审美判断的领域,棋手通过棋谱、布局、定式、手筋和长期对局积累对“好棋”的理解。这类进展的意义,不只是“提高实验效率”,更深层的变化在于,它改变了科学发现中“候选对象”生成的方式。
2026-07-10 09:43
丁烈云认为,面向工程难题,要用工程理论支撑技术突破,打通“工程科学—工程技术—产业应用”完整链条,让前沿科技真正服务于社会。针对高端装备制造转型升级痛点,中国工程院院士郭东明系统阐释了高性能制造的全新发展理念。
2026-07-10 09:41
在9日举行的两院院士大会上,我国石油地质与勘探专家邱中建院士荣获第十六届光华工程科技奖成就奖,高性能精密制造专家郭东明院士等39人荣获光华工程科技奖。
2026-07-10 09:40
人民大会堂万人大礼堂的巨大天幕上,灯光璀璨,熠熠生辉;礼堂内,中国科技界的杰出代表们,肩负全国科技工作者的重托,济济一堂、共襄盛会。
2026-07-10 09:39
水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究:在一滴水中探寻物理之美 在王恩哥看来,物理学研究有一个很大的特点,就是它能把复杂的事情简单化,并且抓住其中最本质的问题——这就是物理学的魅力所在。
2026-07-09 09:51
而这一切的起点,要回到半个世纪前——在中国科学院物理研究所那间废弃的鸡舍里,陈立泉铺开了这张后来冠绝全球的“电动”蓝图。自1981年起,在中国科学院的持续支持下,实验室瞄准真正实用的锂电池,牵头组织并承担了一系列国家重大项目。
2026-07-09 09:51
谈及荣获国家最高科学技术奖,贲德谦虚地说:“这不是我个人的奖,而是所有‘雷达人’的荣誉。从原理探索到技术攻关再到雷达建造,10余载春秋,为了研制代号“7010”的远程相控阵雷达,贲德与团队闯过了一个又一个难关。
2026-07-09 09:50
发展数智经济,通过促进科技创新和产业创新深度融合培育新质生产力。为此,笔者建议,应从要素供给、产业融合、创新转化和制度保障四个方面发力,把数智经济的技术势能转化为新质生产力的发展动能。
2026-07-09 09:50
耄耋之年,她坐着轮椅来到采访室,一身深蓝素装,神情温和。她,就是“七一勋章”获得者、中国工程院院士、中南大学教授钟掘。1960年,钟掘毕业后来到岳麓山下的中南矿冶学院,一头扎进被人称作“傻大黑粗”的冶金机械行业。
2026-07-09 09:49
中国科协第十一次全国代表大会是在“十五五”开局之年召开的一次重要会议,是科协系统和广大科技工作者的一次盛会。实践充分证明,我国科技工作者始终胸怀祖国、服务人民、勇攀高峰、敢为人先,不愧为党和国家充分信赖的优秀队伍和建设科技强国的中坚力量。
2026-07-09 09:49
从安装智能芯片的比赛用球,到协助裁判的视频技术,再到支持百万球迷转运的中国列车……这支“中国队”被美国消费者新闻与商业频道誉为世界杯供应链“不可或缺的一环”。
2026-07-08 10:08
7月7日是小暑节气,恰逢年度“最小太阳”现身天宇。当日凌晨2时左右,地球过远日点,这是一年中地球距离太阳最远的位置,这天观测到的太阳视直径为全年最小。
2026-07-08 10:06
近日,西南石油大学新能源与材料学院光伏材料与技术科研团队传出好消息:其研发的小尺寸超高效叠层太阳能电池光电转换效率接近35%,大幅超越常规太阳能电池的光电转换效率。
2026-07-08 10:04
目前,大连海事大学已与72家行业单位建立联合培养,共建162个专业实践基地、4个工程技术中心,聘任600余名企业导师,真正实现“工程出题、校企共答、产业阅卷”。
2026-07-08 09:52
一生钢铁报国,一生慷慨无私。崔崑院士走了,但他留下的,是钢的筋骨,是火的温度,是一颗永远滚烫的赤子之心。
2026-07-08 09:45
在河北雄安人工智能产业园的一楼展厅里,一台工业机器人正利落地演示货物搬运,机械臂精准而有力;楼上,键盘敲击声此起彼伏,研发人员专注地写着代码。产业园一年前才“开业”,如今已成为人工智能公司发展的产业高地。这里诞生的国内首个处理结构化数据的通用大模型,适用于多个工业场景;这里诞生了便携式颅脑出血检测分析仪,让医学检查更加快捷便利……
2026-07-07 09:44
从“争第一”的局部超越,到“创唯一”的向上突围,再到“守专一”的产业韧性,这三重创新路径相互交织,共同勾勒出中国从“世界工厂”迈向“创新引擎”的壮阔图景
2026-07-07 09:42
近日,在内蒙古阿拉善盟额济纳旗东风镇古日乃嘎查的航天育种试验基地内,曾搭载实践十九号卫星的荒漠肉苁蓉“太空种子”,在地面选育试验中取得关键进展——首批试验植株成功开花。
2026-07-07 09:40
高校专业目录的更新,绝非简单的名称变动,而是立足国家需要、顺应产业发展、面向科技前沿之举。新农科教育已不再是单纯的“种地养猪”,而是要有系统思维和交叉学科背景,特别是打破农学、工学、理学等传统学科壁垒。
2026-07-07 09:39
加载更多