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我校解析豆血红蛋白协同调控豆科植物根瘤高效固氮的分子机制


文章作者:www.orrapin.com 发布时间:2020-01-26 点击:1148



莲藕血红蛋白(LjLb1/2/3)共调控根瘤高效固氮的分子机制

南湖新闻网新闻(通讯员王龙龙)近日,我校生命科学与技术学院端木德强教授的研究小组在国际植物学学术期刊《New Phytologist》上在线发表了一篇题为《CRISPR/Cas9 knockout of leghemoglobin genes in Lotus japonicus uncovers their synergistic roles in symbiotic nitrogen fixation》的研究论文。报道了莲藕血红蛋白(LjLb1/2/3)协同调控根瘤高效固氮的分子机制,揭示了Lb在维持活性氧稳态方面的新生物学功能,初步阐明了转录后水平上质体血红素小分子合成的系统调控途径,为研究成熟和衰老根瘤的代谢调控、氧化还原平衡和信号转导途径奠定了良好的物质和理论基础。

豆科-根瘤菌共生固氮被认为是目前最有效的生物固氮体系。豆血红蛋白(leg血红蛋白,Lb)是结节中最丰富的蛋白质,占成熟结节总蛋白质含量的5%以上。学术界早就提出了一个关于Lb功能的假设:结核细胞中浓度高的Lb创造了一个相对低氧的环境,保护固氮酶。同时,Lb可以向线粒体和叶状细胞输送低浓度和高流量的氧气,以维持细胞的活跃呼吸。然而,这一假设大多基于Lb和固氮酶的体外生化研究结果,缺乏体内研究结果的支持。本研究中,研究组以豆科植物莲藕(Lotus japonicus)为模式植物,利用CRISPR/Cas9系统成功地创造了豆科血红蛋白(LjLb1/2/3)的单基因、双基因和三基因突变体(单过程、双过程和三过程)。

结果表明,三个过程均表现出明显的缺氮表型,双过程和单过程的缺氮表型依次递减。结合互补实验,单一Lb可以部分补充三过程表型,非共生相关植物血红蛋白不能补充三过程表型,而非豆科共生血红蛋白可以部分补充三过程表型。研究证实,Lb是结核保持高效固氮的重要组成部分。突变共生表型分析和功能互补实验首次揭示了Lb家族基因之间的功能协同,共生血红蛋白和非共生血红蛋白之间的功能分化,以及豆科和非豆科共生血红蛋白之间的趋同进化关系。

为了进一步探索Lb在维持结核固氮中的重要生物学功能,对Lb三种基因突变体进行了系统研究:显微观察显示结核早衰表型和线粒体形态异常;RNA-seq分析发现,差异表达基因除碳代谢和氮代谢途径相关基因外,还包括一系列转录因子、蛋白酶和血红素合成代谢相关基因,为进一步研究Lb功能和根瘤衰老/早衰奠定了基础。更重要的是,Lb的丢失导致结核细胞中ROS的严重积累,这表明Lb除了结合和转移氧之外,还可能参与维持结核中ROS的动态平衡。

本研究系统分析了莲藕血红蛋白(LjLb1/2/3)协同调控根瘤高效固氮的分子机制,揭示了Lb在维持活性氧稳态方面的新生物学功能,初步阐明了转录后质体血红素小分子合成的系统调控途径。这些结果为研究成熟和衰老根瘤的代谢调控、氧化还原平衡和信号转导途径奠定了良好的物质和理论基础。

生命科学与技术学院博士生王龙龙是论文的第一作者,端木德强教授是通讯作者。

论文链接:

评论员端木德强

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