“固氮工厂”有点“作”：植物爱氧细菌厌氧 在沪工作的加拿大科学家发现其中奥秘

图说：杰睿研究员观察植物生长情况  采访对象供图（下同）

　　新民晚报讯（记者 郜阳）大豆、豌豆等豆科植物，有一位亲密无间的好朋友根瘤菌。两者的共生关系形成一座高效、天然的“固氮工厂”——根瘤。根瘤中的固氮根瘤菌能将大气中的氮气转变成植物可利用的氨，不过这一过程得在低氧微环境下展开。

　　植物喜欢氧，细菌讨厌氧，这可怎么办？北京时间今天凌晨，中国科学院分子植物科学卓越创新中心杰睿（Jeremy Dale Murray）研究团队在国际顶尖学术期刊《科学》（Science）上在线发表研究论文，阐述了豆科植物生物固氮调控的新机制。

　　与哺乳动物体内有血红蛋白相似，豆科植物体内也有豆血红蛋白。这也是为什么根瘤会呈粉红色的原因——豆血红蛋白含有铁元素，当铁与氧结合时会呈现红色。杰睿介绍，为了提高根瘤菌的固氮能力，豆科植物会产生大量豆血红蛋白来紧密结合根瘤中的氧气，进而有效提高“固氮工厂”的工作效率。不过，科学家们对于豆科植物如何调控豆血红蛋白基因的表达，一直没有结论。

　　在中科院分子植物卓越中心助理研究员姜苏育看来，包含了血红素和蛋白质的豆血红蛋白更像是一位“工具人”。“一方面豆血红蛋白可以结合根瘤细胞中的氧气，使根瘤细胞处于低氧微环境；同时，豆血红蛋白还可以将氧气释放给固氮细菌供其呼吸。”

　　据了解，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特殊“元件”来激活下游基因的表达，参与调节植物氮代谢过程。杰睿研究团队发现，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，意外地发现当植物缺少了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。“NLP2和NIN像一对姐妹，是同源基因。两者相互合作，又有明确分工。”杰睿补充说。

图说：杰睿很受课题组学生的欢迎

　　研究团队还发现，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”调控模块与缺氧生存的作用在根瘤中得以延续，以解决生物固氮的氧气悖论。

　　要知道，在农业生产中，人们往往施用大量工业氮肥来提高作物产量。我国氮肥利用率仅为30%左右。杰睿研究团队的成果首次发现豆科植物NLP家族直接调控豆血红蛋白表达，揭示了豆科植物如何建造“固氮工厂”的分子机制，为提高豆科植物的固氮能力提供了理论支撑。同时，这一成果也有助于水稻和玉米等非豆科植物实现自主固氮，进而减少工业化肥的使用，对节能减排和环境保护意义重大。

　　加拿大籍研究员杰睿2017年被中科院分子植物卓越中心引入，此前他在英国约翰·英纳斯中心担任课题组长。他长期聚焦可持续性农业及世界食物安全问题的研究，对有益微生物如何在细胞和分子水平与植物相互作用方面的研究成果受到国际认可，多次受邀请参加国际学术大会并做大会主题报告。“我在英国时就认识了王二涛研究员和谢芳研究员，两人的研究领域也是共生固氮。不过，我们的侧重点有所不同。当两人先后来到上海后，我也决定加入到中科院分子植物卓越中心。”杰睿表示。

　　杰睿很享受在上海的科研生活，每天都过得很充实，也很受研究团队成员的喜爱。他说：“在这儿，我有了更多的研究生，我能比以前做得更多更好。”中科院分子植物卓越中心副主任王佳伟介绍，我国近年来对植物科学的投入越来越大，中心也充分发挥群体效应，在植物固氮领域的上中下游均有布局。为了方便杰睿在中国的科研，中心还为他配备了科研助理。