豆類如何為根部的共生細(xì)菌提供氧氣

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了豆類內(nèi)部控制攜氧分子產(chǎn)生的遺傳學(xué)，這對(duì)植物與固氮細(xì)菌的密切關(guān)系至關(guān)重要。

這一發(fā)現(xiàn)為其他植物提供了從細(xì)菌中產(chǎn)生氨的能力——減少了對(duì)依賴化石燃料且污染嚴(yán)重的作物施用合成肥料的需求。

豆科植物的根部是共生細(xì)菌的家園。這些細(xì)菌可以固定空氣中的氮，將其轉(zhuǎn)化為氨，這是植物的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)素。

作為回報(bào)，植物將細(xì)菌安置在根瘤中，提供糖分和氧氣。氧氣的量需要恰到好處以支持共生，細(xì)菌需要氧氣來(lái)為其化學(xué)反應(yīng)提供燃料，但過(guò)多會(huì)抑制一種將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為植物可以使用的氨的關(guān)鍵酶。

植物對(duì)這種“生物固氮的氧悖論”的解決方案是一種叫做豆血紅蛋白的分子。就像在我們的血液中攜帶氧氣的血紅蛋白一樣，豆血紅蛋白與氧氣結(jié)合并呈紅色;它使豆類根瘤呈粉紅色。直到現(xiàn)在還不清楚植物如何控制這種分子的產(chǎn)生量。

研究小組已經(jīng)確定了兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，它們控制豆類根瘤中豆血紅蛋白的生成量。

“這為了解豆類植物如何創(chuàng)造固氮所需的微需氧環(huán)境提供了關(guān)鍵見(jiàn)解。這些知識(shí)可能有助于改善豆科植物的固氮，并且對(duì)于將根瘤轉(zhuǎn)移到非豆科作物至關(guān)重要，“通訊作者、CEPAMS 小組負(fù)責(zé)人 Jeremy Murray 博士解釋說(shuō)。

Jeremy Murray 博士繼續(xù)說(shuō)道，“雖然已經(jīng)確定了許多參與其他結(jié)瘤過(guò)程的基因，但這是直接涉及固氮控制的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)突破。”

該研究由JIC植物與微生物科學(xué)卓越中心(CEPAMS)、分子植物科學(xué)卓越中心(CEMPS)Jeremy Murray博士小組的姜素玉博士領(lǐng)導(dǎo)的合作團(tuán)隊(duì)進(jìn)行。中國(guó)上?？茖W(xué)院，與 LIPME(法國(guó)圖盧茲大學(xué))的 Pascal Gamas 博士和 Marie-Françoise Jardinaud 博士合作。

使用模型豆科植物，Medicago truncatula，研究小組研究了植物中的一個(gè)蛋白質(zhì)家族，其中有幾個(gè)成員在結(jié)瘤中起作用。他們研究了此類中的哪些蛋白質(zhì)是在共生外殼結(jié)節(jié)中產(chǎn)生的，發(fā)現(xiàn)有兩種——NIN 和 NLP2，當(dāng)它們不活躍時(shí)，固氮作用就會(huì)降低。這表明它們參與固氮。

為了進(jìn)一步調(diào)查，他們?cè)跊](méi)有土壤的氣培系統(tǒng)中種植植物，以便能夠觀察根瘤，并發(fā)現(xiàn)缺乏 NIN 和 NLP2 的植物尺寸更小，并且具有更小、粉紅色更少的根瘤。仔細(xì)檢查后，他們的豆血紅蛋白水平較低。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，NIN 和 NLP2 直接激活了豆血紅蛋白基因的表達(dá)。

“這個(gè)研究項(xiàng)目純粹是出于好奇心，一開(kāi)始我們只知道我們研究的轉(zhuǎn)錄因子在固氮細(xì)胞中高度特異性表達(dá)，我們最初不知道與豆血紅蛋白有任何聯(lián)系”，默里博士反映.

該研究還深入了解了這種重要共生關(guān)系的演變。他們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子家族的其他成員調(diào)節(jié)植物中發(fā)現(xiàn)的非共生血紅蛋白的產(chǎn)生，這些血紅蛋白參與植物對(duì)低氧水平的反應(yīng)。

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