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北大王忆平课题组的生物固氮研究成果受到国际同行高度评价
日期: 2017-03-22       点击量: 1240

自上世纪七十年代中期DNA重组技术的兴起,及发现存在于少数原核微生物体内的固氮基因簇可以通过结合实验(Conjugation)成功转入大肠杆菌,并使大肠杆菌具有生物固氮活性以来,将固氮酶系统直接导入植物细胞内,使主要农作物具有自主固氮功能的氮素自给自足属性,从而摆脱农业生产对工业氮肥 --这一高耗能高污染化工产品的依赖,一直是生物固氮研究领域实现农业生产绿色革命的梦想。

但是四十多年过去了,随着科学研究的不断深入,人们发现生物固氮系统具有的高耗能(需要消耗ATP和还原力等大量生物能源)、厌氧、且需要众多基因参与等诸多特有的属性,以及发现植物靶细胞器很有可能缺乏钼元素(而传统钼铁固氮酶系统的合成需要钼元素)等因素给现代农业生物技术在生物固氮研究领域的应用提出了诸多难题,也使得上述绿色革命梦想一度变得相当渺茫。

近期,国际知名学术期刊PNAS(美国科学院院刊)以“Keeping the nitrogen-fixation dream alive”题为发表评论(Commentary)文章,高度评价了王忆平课题组近年来的研究工作。认为其在大肠杆菌中重构棕色固氮菌(Azotobacter vinelandii)的不需要钼元素的备选固氮酶系统(alternative nitrogenase system-- 铁铁固氮酶系统,并且证明重组的铁铁固氮酶系统简化了许多(摆脱了传统钼铁固氮酶系统对nifQnifMnifYnifEnifNnifX等基因的依赖),在不损失固氮酶活的前提下,最少只需要10个基因即可在大肠杆菌中行使固氮功能的工作(见附图,第一行;Yang et al. 2014PNAS);以及近期证明的来源于植物叶绿体和根部白体的电子传递链模块能够分别有效的替代钼铁及铁铁固氮酶系统中负责电子传递的原始模块,为这两个固氮酶系统提供底物还原所需的还原力的工作(见附图; Yang et al. 2017, PNAS 该论文被2017321日出版的PNAS期刊推荐为“From the cover”封面文章)具有里程碑式的意义(附原文:“This achievement represents an incremental, although profoundly important, milestone toward realizing the goal of endowing plants with the capacity for self-fertilization.”)。该些研究成果,一方面大大简少了需要导入植物细胞的固氮基因数目,另一方面解决了还原力的供给问题。同时该评论还涉及了另外两项研究成果,分别来自西班牙科学家以及美国孟山都公司,他们的工作分别证明来自酵母线粒体(López-Torrejón et al. 2016, Nat Commun)或烟草叶绿体(Ivleva et al. 2016, PLoS ONE)的铁硫原子簇合成系统能够为固氮酶组分提供[4Fe-4S]的金属原子簇。综合这些研究成果,以及真核系统中存在的高柠檬酸合成酶(LYS20)预期可以替代nifV基因功能,评论中大胆的提出只需要导入5个必需基因(anfH, anfD, anfG, anfK以及nifB)即有可能在植物叶绿体或根部白体中实现固氮酶活性的设想。

附图:固氮酶系统的示意图。 A)上半部分为可在大肠杆菌中行使固氮功能的最简铁铁固氮酶系统;下半部分为植物系统中潜在的替代固氮系统中不同功能基因所对应的真核基因。B)固氮酶合成及工作示意图。

王忆平课题组的杨建国博士,博士生谢夏青,王霞博士及博士生杨明轩共同参与完成实验工作,以上工作得到了英国JIC研究中心Ray Dixon教授的关心和指导,北大生科院王忆平教授早在2009年作为首席科学家开始组织筹备第二个973生物固氮项目的时候就率先对以上研究内容进行了长远的规划,并对研究进程给与了长期指导。该研究工作得到了科技部国家973重点基础研究发展计划,国家自然科学基金,蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。

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