豆科植物根瘤的固氮能力与转录因子NLP家族有关

生物固氮作为一种潜在的新型氮肥来源，对农业的可持续发展具有重要意义。在豆科植物的生物固氮中，豆科植物血红蛋白的含量和成分直接影响根瘤中固氮酶的活性，起着关键作用。中国科学院分子植物科学卓越创新中心Jeremy Dale Murray研究团队和合作团队首次发现转录因子NLP家族调控豆科植物血红蛋白基因在结节中表达的分子机制。10月底，相关成果在国际学术期刊《科学》上发表。

大多数豆科植物都能与固氮根瘤菌建立共生关系，形成高效的“固氮工厂”——根瘤，其中含有大量的类菌体。类杆菌中的固氮酶可以将空气中的氮转化为植物可利用的氨，植物可以提供根瘤菌所需的碳水化合物，互惠互利。然而，固氮的过程需要大量的能量。不仅如此，固氮酶对氧气高度敏感，需要在低氧环境下工作，宿主细胞和根瘤菌本身的呼吸需要大量氧气。同时，为了满足固氮酶、宿主细胞和根瘤菌的不同需求，根瘤菌细胞通过合成大量的豆血红蛋白来调节氧浓度。到目前为止，还没有关于根瘤中豆科血红蛋白基因表达调控机制的报道。

NLP家族是植物特有的一类转录因子，能与目的基因启动子中的硝酸盐应答元件结合，激活下游基因的表达，参与植物体内氮代谢的调控。Jeremy的研究小组发现NLP家族的两个成员NLP2和NIN在结节中的表达水平“更高”。在分析NLP2突变根瘤时，团队意外发现，当植物缺乏NLP2时，豆科血红蛋白基因的表达也会受到影响，根瘤的固氮能力下降。

基于此，该团队进一步研究揭示，NLP家族成员NIN和NLP2通过直接与豆科植物保守的双硝酸盐反应元件结合，激活根瘤中豆血红蛋白基因的表达，平衡固氮所必需的氧微环境。系统发育分析表明，dNRE和NLP2仅在豆科植物中高度保守，提示它们的进化有助于提高豆科植物血红蛋白在结节中的表达水平。然而，非共生血红蛋白的携氧特性有助于植物在低氧环境中生存。研究团队发现，其他NLP可以通过植物中常见的硝酸盐反应元件激活非共生血红蛋白基因的表达。这表明NLP-血红蛋白模块和缺氧存活在结节中的作用可以继续，并探讨了这种调节机制的进化和起源。