豆科植物根瘤固氮能力與轉錄因子NLP家族有關

　　生物固氮作為潛在的新型氮肥來源，對于農業可持續發展具有重要意義。在豆科植物生物固氮中，豆血紅蛋白的含量和組分直接影響根瘤內固氮酶的活性，發揮關鍵作用。中國科學院分子植物科學卓越創新中心杰里米·戴爾·默里研究組及合作團隊首次發現轉錄因子NLP家族調控根瘤中豆血紅蛋白基因表達的分子機制。10月底，相關成果在國際學術期刊《科學》上發表。

　　豆科植物大多能與固氮根瘤菌建立共生關系，形成高效的“固氮工廠”——根瘤，根瘤中含有大量的類菌體。類菌體內的固氮酶能夠將空氣中的氮氣轉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。然而固氮反應過程需要消耗大量的能量，不僅如此，固氮酶對氧氣高度敏感，需要在低氧環境中才能工作，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豆血紅蛋白來調節氧氣濃度。迄今為止有關根瘤內豆血紅蛋白基因表達調控機制還尚無報道。

　　NLP家族是植物特有的一類轉錄因子，它能夠結合靶基因啟動子中的硝酸鹽響應元件，并激活下游基因的表達，參與調節植物氮代謝過程。杰里米研究團隊發現，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，團隊意外發現，當植物缺少了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。

　　基于此，團隊進一步研究揭示了NLP家族成員NIN和NLP2通過直接結合豆科植物保守的雙重硝酸鹽響應元件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境。系統發育分析表明，dNRE和NLP2僅在豆科植物中高度保守，暗示著其進化有助于提高根瘤中豆血紅蛋白的表達水平。而非共生血紅蛋白的攜氧特性有助于植物在低氧環境中生存。研究團隊發現，其他NLP能夠通過植物中普遍存在的硝酸鹽響應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，同時研究還挖掘出該調控機制的進化和起源。