在地球生存了數(shù)千萬年的豆科植物有個強大的本領(lǐng)，從自然界中獲取營養(yǎng)--氮肥。因為豆科植物大多能與固氮根瘤菌建立共生關(guān)系，形成高效的“固氮工廠”——根瘤。根瘤中含有大量的固氮工具——類菌體。類菌體內(nèi)的固氮酶能夠?qū)⒖諝庵械牡獨廪D(zhuǎn)變成植物可利用的氨，同時植物可提供根瘤菌需要的碳水化合物，從而互惠互利。類似人體血液中的血紅蛋白，存在于豆科植物根瘤中的豆血紅蛋白的含量和組分，直接影響根瘤內(nèi)固氮酶的活性。但是迄今為止，有關(guān)根瘤內(nèi)豆血紅蛋白基因表達(dá)調(diào)控機制還不清楚。

北京時間今天（29）凌晨，國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心外籍研究員杰睿（Jeremy Dale Murray）研究組及合作團(tuán)隊的最新成果。經(jīng)過多年研究，團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子NLP家族調(diào)控根瘤中豆血紅蛋白基因表達(dá)的分子機制，揭示了豆科植物建造“固氮工廠”的秘密，為提高豆科植物的固氮能力提供了理論基礎(chǔ)。

研究發(fā)現(xiàn)，豆科植物的NLP基因家族成員NLP2和NIN在根瘤中高度表達(dá)。當(dāng)植物缺少NLP2時，豆血紅蛋白基因的表達(dá)受到抑制，導(dǎo)致根瘤的固氮能力顯著下降。豆血紅蛋白與哺乳動物血紅蛋白相似，包含了血紅素和蛋白質(zhì)。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，同時豆血紅蛋白還可以將氧氣釋放給固氮細(xì)菌供其呼吸。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，NLP2和NIN可以通過結(jié)合特殊的“硝酸鹽響應(yīng)位點”，來激活根瘤中豆血紅蛋白基因的表達(dá)，進(jìn)而平衡根瘤中氧氣含量，促使根瘤高效固氮。相關(guān)研究，進(jìn)一步追溯到這一調(diào)控機制的進(jìn)化和起源。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中人們往往是用大量工業(yè)氮肥來提高作物產(chǎn)量。我國氮肥施用量約為世界總施用量的1/3，但是其利用率僅為30%左右。該成果首次發(fā)現(xiàn)豆科植物中NLP家族直接調(diào)控豆血紅蛋白基因的表達(dá)，揭示了豆科植物如何建造固氮工廠的分子機制，為提高豆科植物的固氮能力提供了理論支撐，同時有助于水稻和玉米等非豆科植物實現(xiàn)自主固氮，進(jìn)而減少工業(yè)化肥的使用，對節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)具有重大意義。

值得一提的是，團(tuán)隊帶頭人、加拿大籍科學(xué)家杰睿長期從事植物固氮領(lǐng)域研究，2017年至今任中國科學(xué)院分子植物科學(xué)創(chuàng)新中心研究員，植物分子遺傳國家重點實驗室研究員。中心良好的科研土壤是杰睿選擇來上海發(fā)展的一大關(guān)鍵。

據(jù)介紹，在植物固氮領(lǐng)域，分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心此前引進(jìn)的謝芳研究員、王二濤研究員已在各自科研方向上取得一系列國際領(lǐng)先成果。杰睿團(tuán)隊加入后，三支團(tuán)隊各有互補，相輔相成，使得中心在該領(lǐng)域研究的國際競爭中擁有“集群優(yōu)勢”。此次杰睿團(tuán)隊的最新成果，王二濤研究員也參與了部分工作。杰睿相信，在上海，在分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，他的研究還將更進(jìn)一步。

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