遗传学发现揭示了豆科植物如何向其根部的共生细菌提供氧气

科学家们发现了豆科植物内部控制一种载氧分子生产的遗传学,这对植物与固氮细菌的密切关系至关重要。这一发现为其他植物提供了从细菌中生产氨的能力--减少对依赖化石燃料和污染的农作物施用合成肥料的需要。豆科植物的根部是共生细菌的家园。这些细菌可以从空气中固定氮气,将其转化为氨,这是植物的一种关键营养物质。

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作为回报,植物将细菌安置在根瘤中,提供糖分和氧气。氧气的数量需要恰到好处地支持这种共生关系,细菌需要氧气来推动它们的化学反应,但过多的氧气会抑制一种关键的酶,这种酶会把空气中的氮气变成植物可以使用的氨。

植物对这种"生物固氮的氧气悖论"的解决方案是一种叫做豆血红蛋白的分子。就像我们血液中携带氧气的血红蛋白一样,豆血红蛋白与氧气结合并呈红色;它使豆科植物的结节呈现粉红色。到目前为止,还不清楚植物是如何控制这种分子的产量的。

研究小组已经确定了两个转录因子,它们可以控制豆科植物结节中制造多少豆血红蛋白。

"这让我们对豆科植物如何创造固氮所需的微氧环境有了一个关键的了解。这一知识对于改善豆科植物的固氮作用非常有用,对于将结核作用转移到非豆科作物上也是至关重要的,"通讯作者、CEPAMS小组负责人Jeremy Murray博士解释说。"虽然参与其他结核过程的许多基因已经被确认,但这是在直接参与控制固氮的基因调控网络方面的第一个突破。"

这项研究是由杰里米-默里博士课题组的姜素玉博士领导的一个合作小组进行的,该小组位于中国科学院上海植物与微生物科学卓越中心(CEPAMS),中国科学院分子植物科学卓越中心(CEMPS),并得到法国图卢兹大学LIPME的Pascal Gamas博士和Marie-Françoise Jardinaud博士的合作。

该研究小组利用示范豆科植物Medicago truncatula,研究了植物中的一个蛋白质家族,该家族有几个成员在结核中发挥作用。他们研究了这个家族中哪些蛋白质是在共生体的结核中产生的,并发现有两种蛋白质--NIN和NLP2,而且当这些蛋白质不活跃时,固氮作用会减少。这表明,它们参与了固氮作用。

为了进一步调查,他们在一个没有土壤的气培系统中种植植物,以便能够观察结核,并发现缺乏NIN和NLP2的植物尺寸较小,结核也较小且颜色较淡。仔细观察,它们的豆血红蛋白水平较低。进一步的实验发现,NIN和NLP2直接激活了豆血红蛋白基因的表达。

"这个研究项目纯粹是由好奇心驱动的,我们一开始只知道我们所研究的转录因子在固氮细胞中高度和特异性地表达,我们最初并不知道与豆血红蛋白有任何联系,"Murray博士反映。

该研究还对这种重要的共生关系的进化有了深入了解。他们发现,转录因子家族的其他成员调节植物中发现的非共生血红蛋白的生产,这些血红蛋白参与植物对低氧水平的反应。

Jeremy进一步解释说:"这很令人兴奋,因为它表明这些转录因子和它们的血红蛋白目标作为模块被招募到结核中,以帮助改善固氮细胞的能量,让人们难得地看到这种共生关系是如何演变的。"

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