豆类如何为根部的共生细菌提供氧气

科学家们发现了豆类内部控制携氧分子产生的遗传学，这对植物与固氮细菌的密切关系至关重要。

这一发现为其他植物提供了从细菌中产生氨的能力——减少了对依赖化石燃料且污染严重的作物施用合成肥料的需求。

豆科植物的根部是共生细菌的家园。这些细菌可以固定空气中的氮，将其转化为氨，这是植物的关键营养素。

作为回报，植物将细菌安置在根瘤中，提供糖分和氧气。氧气的量需要恰到好处以支持共生，细菌需要氧气来为其化学反应提供燃料，但过多会抑制一种将空气中的氮转化为植物可以使用的氨的关键酶。

植物对这种“生物固氮的氧悖论”的解决方案是一种叫做豆血红蛋白的分子。就像在我们的血液中携带氧气的血红蛋白一样，豆血红蛋白与氧气结合并呈红色;它使豆类根瘤呈粉红色。直到现在还不清楚植物如何控制这种分子的产生量。

研究小组已经确定了两个转录因子，它们控制豆类根瘤中豆血红蛋白的生成量。

“这为了解豆类植物如何创造固氮所需的微需氧环境提供了关键见解。这些知识可能有助于改善豆科植物的固氮，并且对于将根瘤转移到非豆科作物至关重要，“通讯作者、CEPAMS 小组负责人 Jeremy Murray 博士解释说。

Jeremy Murray 博士继续说道，“虽然已经确定了许多参与其他结瘤过程的基因，但这是直接涉及固氮控制的基因调控网络的第一个突破。”

该研究由JIC植物与微生物科学卓越中心(CEPAMS)、分子植物科学卓越中心(CEMPS)Jeremy Murray博士小组的姜素玉博士领导的合作团队进行。中国上海科学院，与 LIPME(法国图卢兹大学)的 Pascal Gamas 博士和 Marie-Françoise Jardinaud 博士合作。

使用模型豆科植物，Medicago truncatula，研究小组研究了植物中的一个蛋白质家族，其中有几个成员在结瘤中起作用。他们研究了此类中的哪些蛋白质是在共生外壳结节中产生的，发现有两种——NIN 和 NLP2，当它们不活跃时，固氮作用就会降低。这表明它们参与固氮。

为了进一步调查，他们在没有土壤的气培系统中种植植物，以便能够观察根瘤，并发现缺乏 NIN 和 NLP2 的植物尺寸更小，并且具有更小、粉红色更少的根瘤。仔细检查后，他们的豆血红蛋白水平较低。进一步的实验发现，NIN 和 NLP2 直接激活了豆血红蛋白基因的表达。

“这个研究项目纯粹是出于好奇心，一开始我们只知道我们研究的转录因子在固氮细胞中高度特异性表达，我们最初不知道与豆血红蛋白有任何联系”，默里博士反映.

该研究还深入了解了这种重要共生关系的演变。他们发现转录因子家族的其他成员调节植物中发现的非共生血红蛋白的产生，这些血红蛋白参与植物对低氧水平的反应。

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