豆科植物根瘤固氮能力 与转录因子NLP家族有关

仙仙

生物固氮作为潜在的新型氮肥来源，对于农业可持续发展具有重要意义。在豆科植物生物固氮中，豆血红蛋白的含量和组分直接影响根瘤内固氮酶的活性，发挥关键作用。中国科学院分子植物科学卓越创新中心杰里米·戴尔·默里研究组及合作团队首次发现转录因子NLP家族调控根瘤中豆血红蛋白基因表达的分子机制。10月底，相关成果在国际学术期刊《科学》上发表。


豆科植物大多能与固氮根瘤菌建立共生关系，形成高效的“固氮工厂”——根瘤，根瘤中含有大量的类菌体。类菌体内的固氮酶能够将空气中的氮气转变成植物可利用的氨，同时植物可提供根瘤菌需要的碳水化合物，从而互惠互利。然而固氮反应过程需要消耗大量的能量，不仅如此，固氮酶对氧气高度敏感，需要在低氧环境中才能工作，宿主细胞和根瘤菌本身的呼吸作用又需要大量氧气。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。迄今为止有关根瘤内豆血红蛋白基因表达调控机制还尚无报道。


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子中的硝酸盐响应元件，并激活下游基因的表达，参与调节植物氮代谢过程。杰里米研究团队发现，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，团队意外发现，当植物缺少了NLP2后，豆血红蛋白基因的表达也受到了影响，同时根瘤的固氮能力下降。


基于此，团队进一步研究揭示了NLP家族成员NIN和NLP2通过直接结合豆科植物保守的双重硝酸盐响应元件来激活根瘤中豆血红蛋白基因的表达，平衡固氮所必需的氧气微环境。系统发育分析表明，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。而非共生血红蛋白的携氧特性有助于植物在低氧环境中生存。研究团队发现，其他NLP能够通过植物中普遍存在的硝酸盐响应元件激活非共生血红蛋白基因的表达。这表明NLP-血红蛋白模块与缺氧生存的作用在根瘤中得以延续，同时研究还挖掘出该调控机制的进化和起源。（岑盼 记者王春）