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Science | 河南大学王学路团队研究揭示豆科植物根瘤能量 ...

iseeyu2年前 (2024-08-15)推广102

豆科通过与根瘤菌建立共生关系，进化出专门的固氮器官，称为根瘤，根瘤需要大量的额外能量来固氮。共生根瘤获得光同化物（主要是蔗糖），并通过糖酵解进行代谢，产生磷酸烯醇式丙酮酸。磷酸烯醇式丙酮酸被转化为苹果酸盐，为细菌的大气固氮提供燃料，或者转化为丙酮酸盐，在线粒体中生产三磷酸腺苷（ATP），用于氮同化和其他细胞活动，其分配可能调节根瘤的固氮能力。大豆（Glycine max）的根瘤固氮能力在厌氧或缺磷的条件下很低，但当氧气或磷的供应增加时，随着根瘤能量状态的变化，固氮能力也会增加。当转移到黑暗或高硝酸盐供应后，根瘤能量状态下降，豆科植物的根瘤固氮能力也下降。鉴于共生固氮的高能量需求，根瘤的能量状态变化很可能调节根瘤固氮能力。根瘤能量状态是如何被感知的，以及该信息如何调节根瘤固氮能力，目前还不清楚。
2022年12月1日，国际顶级学术期刊Science发表了河南大学王学路（Science | 为什么结瘤固氮需要光？研究揭示光驱动豆科植物根部共生固氮的分子机制！Nature plants | 王学路和李友国团队揭示大豆NNL1通过根毛侵染限制与根瘤菌的共生相容性！New Phytologist | 河南大学王学路团队揭示根瘤菌侵染引发大豆共生根瘤核内复制的机制！）团队的最新相关研究成果，题为Phosphoenolpyruvate reallocation links nitrogen fixation rates to root nodule energy state的研究论文。科研人员利用根瘤中对AMP浓度有反应的分子传感蛋白研究了这种联系。这些传感蛋白调节核调控因子对某些糖酵解基因的访问，从而在竞争的途径之间转移磷酸烯醇式丙酮酸的分配，以便在根瘤有足够的能量时推动固氮作用。

根瘤中的豆科植物-根瘤菌共生体固定氮，以满足植物的氮需求。根瘤对能量的需求被认为决定了固氮率。这种能量状态是如何被感知以调节固氮作用的，尚不清楚。在这篇文章中，科研人员确定了两个大豆含胱硫醚β合成酶结构域的蛋白质，即根瘤AMP传感蛋白1（GmNAS1）和NAS1相关蛋白1（GmNAP1）。在高根瘤能量状态下，GmNAS1和GmNAP1形成同源二聚体，与线粒体上的核因子-Y C（NF-YC）亚单位（GmNFYC10a）相互作用，减少其核积累。较少的核的GmNFYC10a导致参与丙酮酸产生的糖酵解基因的表达降低，从而调节磷酸烯醇式丙酮酸的分配，有利于固氮。对这些途径的深入了解可能有助于设计具有改善碳利用、固氮和生长的豆科作物。