遺傳學發現揭示了豆科植物如何向其根部的共生細菌提供氧氣

科學家們發現了豆科植物內部控制一種載氧分子生產的遺傳學,這對植物與固氮細菌的密切關係至關重要。這一發現為其他植物提供了從細菌中生產氨的能力–減少對依賴化石燃料和污染的農作物施用合成肥料的需要。豆科植物的根部是共生細菌的家園。這些細菌可以從空氣中固定氮氣,將其轉化為氨,這是植物的一種關鍵營養物質。

遺傳學發現揭示了豆科植物如何向其根部的共生細菌提供氧氣

作為回報,植物將細菌安置在根瘤中,提供糖分和氧氣。氧氣的數量需要恰到好處地支持這種共生關係,細菌需要氧氣來推動它們的化學反應,但過多的氧氣會抑制一種關鍵的酶,這種酶會把空氣中的氮氣變成植物可以使用的氨。

植物對這種”生物固氮的氧氣悖論”的解決方案是一種叫做豆血紅蛋白的分子。就像我們血液中攜帶氧氣的血紅蛋白一樣,豆血紅蛋白與氧氣結合併呈紅色;它使豆科植物的結節呈現粉紅色。到目前為止,還不清楚植物是如何控制這種分子的產量的。

研究小組已經確定了兩個轉錄因子,它們可以控制豆科植物結節中製造多少豆血紅蛋白。

“這讓我們對豆科植物如何創造固氮所需的微氧環境有了一個關鍵的了解。這一知識對於改善豆科植物的固氮作用非常有用,對於將結核作用轉移到非豆科作物上也是至關重要的,”通訊作者、CEPAMS小組負責人Jeremy Murray博士解釋說。”雖然參與其他結核過程的許多基因已經被確認,但這是在直接參与控制固氮的基因調控網絡方面的第一個突破。”

這項研究是由傑里米-默里博士課題組的姜素玉博士領導的一個合作小組進行的,該小組位於中國科學院上海植物與微生物科學卓越中心(CEPAMS),中國科學院分子植物科學卓越中心(CEMPS),並得到法國圖盧茲大學LIPME的Pascal Gamas博士和Marie-Françoise Jardinaud博士的合作。

該研究小組利用示範豆科植物Medicago truncatula,研究了植物中的一個蛋白質家族,該家族有幾個成員在結核中發揮作用。他們研究了這個家族中哪些蛋白質是在共生體的結核中產生的,並發現有兩種蛋白質–NIN和NLP2,而且當這些蛋白質不活躍時,固氮作用會減少。這表明,它們參與了固氮作用。

為了進一步調查,他們在一個沒有土壤的氣培系統中種植植物,以便能夠觀察結核,並發現缺乏NIN和NLP2的植物尺寸較小,結核也較小且顏色較淡。仔細觀察,它們的豆血紅蛋白水平較低。進一步的實驗發現,NIN和NLP2直接激活了豆血紅蛋白基因的表達。

“這個研究項目純粹是由好奇心驅動的,我們一開始只知道我們所研究的轉錄因子在固氮細胞中高度和特異性地表達,我們最初並不知道與豆血紅蛋白有任何聯繫,”Murray博士反映。

該研究還對這種重要的共生關係的進化有了深入了解。他們發現,轉錄因子家族的其他成員調節植物中發現的非共生血紅蛋白的生產,這些血紅蛋白參與植物對低氧水平的反應。

Jeremy進一步解釋說:”這很令人興奮,因為它表明這些轉錄因子和它們的血紅蛋白目標作為模塊被招募到結核中,以幫助改善固氮細胞的能量,讓人們難得地看到這種共生關係是如何演變的。”