農(nóng)業(yè)綠色革命以來，氮肥主要來自化學(xué)生產(chǎn)，而自然界有天然的生物固氮系統(tǒng)——土壤中的固氮菌。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。10月29日，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Jeremy Dale Murray研究組及合作團隊的一項研究論文，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的分子機制。

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。然而固氮反應(yīng)過程需要消耗大量的能量，對植物來說是比較“昂貴”的交換，不僅如此，固氮酶對氧氣高度敏感，需要在低氧環(huán)境中才能工作，但是宿主細胞和根瘤菌本身的呼吸作用又需要大量氧氣。

為了同時滿足固氮酶、宿主細胞與根瘤菌的不同需求，根瘤細胞通過合成大量的共生血紅蛋白（又名豆血紅蛋白）來調(diào)節(jié)氧氣濃度。由于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，在豆科植物生物固氮中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但是迄今為止有關(guān)根瘤內(nèi)豆血紅蛋白基因表達調(diào)控機制還尚無報道。

NLP（NIN-Like Protein）家族是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，它能夠結(jié)合靶基因啟動子中的特殊“元件”（硝酸鹽響應(yīng)元件，Nitrate Response Element，NRE）來激活下游基因的表達，參與調(diào)節(jié)植物氮代謝過程。Jeremy D Murray研究團隊發(fā)現(xiàn)，NLP家族中的兩個成員NLP2和NIN在根瘤中具有“高人一等”的表達量，在對nlp2突變體根瘤進行分析時，意外地發(fā)現(xiàn)當(dāng)植物缺少了NLP2后，豆血紅蛋白基因的表達也受到了影響，同時根瘤的固氮能力下降。

該團隊的進一步研究揭示了NLP家族成員NIN和NLP2通過直接結(jié)合豆科植物保守的雙重硝酸鹽響應(yīng)元件（double Nitrate Response Element, dNRE）來激活根瘤中豆血紅蛋白基因的表達，平衡固氮所必需的氧氣微環(huán)境。研究團隊發(fā)現(xiàn)，其他NLP能夠通過植物中普遍存在的硝酸鹽響應(yīng)元件激活非共生血紅蛋白基因的表達。

這表明NLP-血紅蛋白模塊與缺氧生存的作用在根瘤中得以延續(xù)，以解決生物固氮的氧氣悖論。同時研究還挖掘出該調(diào)控機制的進化和起源。

由于能源成本的逐年提高，氮肥的生產(chǎn)成本也在增加。因此，生物固氮作為潛在的新型氮肥來源，對于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。該研究成果闡述了豆科植物生物固氮的新調(diào)控機制，為提高豆科植物的固氮能力提供了理論基礎(chǔ)，并有助于對水稻和玉米等非豆科植物實現(xiàn)自主固氮的研究，進而降低工業(yè)氮肥的使用，對于節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和生態(tài)環(huán)境保護具有重大意義。

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