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基因组团跨界 打造植物固氮“超人”
来源:科技日报 2018-07-24 15:20:07

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拥有固氮能力的蓝细菌  视觉中国

  7月16日,美国圣路易斯华盛顿大学学术资源网站报道了该校研究团队通过基因工程方法,将既能进行光合作用又能进行固氮作用的蓝细菌 (一种单细胞原核生物)中20多个固氮基因,转移到另一种不能固氮但能进行光合作用的蓝细菌中,让后者获得了固氮能力。

  “下一个目标是让植物固氮。”报道的副标题这样写道。虽然植物的叶绿体被认为来源于蓝细菌,但这一发现距离让植物拥有固氮能力,还有着尚难预测的诸多挑战。

  “这一工作还没有突破出‘原核生物’的界限。自然界只有部分原核生物能够进行生物固氮作用,中国农业大学陈三凤教授团队和北京大学王忆平教授团队分别在前几年已经通过合成生物学等手段实现了让大肠杆菌进行生物固氮,而且使用的固氮相关基因数量更少。”中国农业大学生物学院农业生物技术国家重点实验室教授田长富表示。

  植物生来没有固氮能力,氮营养需要通过施用氮肥等方法从外界提供,否则就会矮小、细弱、叶黄。为了让植物能够从空气中直接利用氮元素,拥有固氮超能力,科学家一直在尝试用已经发现的固氮基因改造植物基因组,但目前还没有获得植物界固氮“超人”。

  涉及多个基因,复杂度成倍增加

  “自然界细菌和植物之间的基因转移是可能发生的,但具有偶然性。而且与其他细胞功能互作越多的基因功能,其基因水平转移的概率越低。通过遗传工程手段有目的地构建具有优良品质或抗性的转基因作物是利用这一自然现象的典型例子。但是,已有的转基因农作物只需要转移一个或少数几个基因。而生物固氮作用是一个多基因控制的复杂过程,需要固氮酶核心组分、金属原子簇和电子传递系统。要将生物固氮功能转入植物将面临很大的挑战:固氮酶对氧敏感,固氮过程需要消耗很多能量和还原力。”田长富说,将一群基因组团转入到植物中,面临着多个基因能否在新环境下不打破原有“合作模式”,以及能否和植物中已有系统进行有效整合等问题。

  “有一些研究取得了阶段性进展,例如利用分子检测技术发现,在酵母和植物中表达了想要的个别或全部固氮酶组分,但它们并没有表现出固氮能力。”田长富说,也就是说,转入基因翻译出的蛋白,没有实现固氮酶的活性。“可能是因为后期的固氮酶装配没完成,也可能是固氮酶发挥作用的条件不满足。”

  “最近,王忆平教授团队发现,来自植物叶绿体和根部白体的电子传递模块,能够替代原核生物固氮酶系统中负责电子传递的原始模块,为固氮过程提供还原力。而国外的研究也证明,来自酵母线粒体和烟草叶绿体的金属原子簇合成系统,能够为固氮过程提供金属原子簇。”尽管想让原核生物的固氮基因“潜入”植物基因组并发挥作用的尝试屡屡受挫,但这些阶段性成果为我们注入了新希望。

  除了将细菌的固氮基因转入植物,让植物自己固氮,我们还可以借鉴自然界已经存在几千万年的根瘤菌—豆科植物共生固氮现象。根瘤菌诱导豆科植物形成根瘤并在根瘤细胞内进行固氮作用——豆科植物为根瘤菌提供能量和养分并控制根瘤细胞内的氧浓度,保证根瘤菌的高效固氮过程,而根瘤菌将固定的氮素提供给豆科植物。所以,种植豆科作物,可以少施或不施化学氮肥。

  “近年来,国内外多个研究团队希望将豆科植物与根瘤菌的共生能力转移给小麦、水稻等禾本科植物,解决粮食施肥的问题。”田长富说,虽然目前尚未看到根瘤菌诱导禾本科结瘤的报道,但是“用生化方法可以检测到野生型或经过遗传修饰的非豆科植物对根瘤菌共生信号分子的部分响应。”田长富表示,目前还没有达到根瘤菌对禾本科植物的有效胞内侵染——这是实现非豆科植物共生固氮的瓶颈问题。

  控氧且供能,最后却最难的“一公里”

  “将基因转入植物,并经过转录翻译出蛋白质来并不难,难的是要有固氮酶的活性。”田长富说,对氧敏感是固氮酶的特有属性。这也是为什么在圣路易斯华盛顿大学的研究工作中,为了让全新的工程菌固氮,需要人工去除氧气。而自然界能够固氮的蓝细菌是通过高强度的呼吸作用消耗氧气,为夜间的固氮过程创造条件。

  细胞中的氧会“钳制”住固氮酶,使其成为不发挥作用的蛋白。针对将和固氮相关的一组基因转入植物后,只表达蛋白却没有固氮功能的现象,对豆科植物和根瘤菌共生机制的探秘或许能解答一二。

  “太耗能!如果没有稳定的能量来源,根瘤菌也是维持不了多久的。”田长富解释。如此一来,豆科植物“固氮”超能的获得和“钢铁侠”获得超能力模式相似,是借用了外力。

  田长富用“捕获”一词生动地解释豆科植物根部细胞对根瘤菌施加的影响。植物细胞将根瘤菌吞噬进来,这些根瘤菌被来自细胞膜的膜结构所包裹,形成一个个能够固氮的“共生体”。

  “在为植物固氮时,这些菌的状态很像‘植物人’,完全丧失自我。本能生命活动降低到最低,不分裂也不生长。”田长富说,这种“植物人”状态之所以能够维持,是因为植物细胞和根瘤菌双方精密的调控。

  植物的“调控”包括两个方面:控氧和供能。“根瘤中有大量我们称为‘豆血红蛋白’的物质,能够与氧气结合,使得菌体生活在微氧环境下,既保持了固氮酶的活性还维持了菌体的生命。”田长富说,与此同时,植物细胞还通过大量的细胞通路将植物本身产生的能量传递给根瘤菌,而根瘤菌自身也要特异地调用或关闭相关通道来控制与植物之间的物质交流,从而维持它持续不断地“固氮”活动。

  豆科植物对根瘤菌的俘获和双方“拿捏有度”的调控机制,目前并未被完全揭开面纱。如何模仿出相关机制,完成巧夺天工的生物工程设计,必须要迈过这最后却也是最难的“一公里”。

  加强基础研究,寻找破题“钥匙”

  可以肯定的是,在自然界的“固氮工厂”中,产生核心酶固然重要,但酶是否拥有活性、能否完成氮元素由游离态到化合态的“固定”工作,细胞中的其他配套系统怎样发挥作用也至关重要。“对于构建能够固氮的植物,通过优化启动子、调控基因等帮助核心基因群(固氮基因)表达是一方面,探求辅助系统的工作细节也是研究的关键。”田长富说。为此,通过基础研究探寻整个“固氮行动”的参与基因和细胞通路等分子机制,最终发现固氮“触发器”和“自适应调控系统”,是推动应用的关键。

  “对于根瘤菌与植物的共生固氮体系,长久以来,人们一直认为包括结瘤和固氮基因在内的关键共生基因的水平转移是根瘤菌建立共生的决定因素,但也有一些根瘤菌缺少典型的结瘤基因。随着近年来研究的不断深入,人们逐渐认识到:核心共生固氮基因功能与受体基因组功能的整合效果是影响固氮效率的重要因素。”田长富说,在禾本科等非豆科植物构建根瘤菌共生固氮体系时也需要考虑类似问题。

  “多基因控制的生物固氮基因工程研究挑战很大,还伴随着基因组中其他功能的‘辅佐’。”田长富总结道,固氮系统的整个蓝图仍未被破解——(结瘤)固氮功能在原核生物不同菌种中的整合效率及其分子机制,核心固氮功能与植物基因组功能的适配性,核心结瘤功能与非豆科植物的适配性等科学问题亟待重点研究。当基础研究有所突破后,才能更有效地推动“生物固氮”的应用。

来源:科技日报  编辑:杨英

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