我校解析豆血紅蛋白協(xié)同調(diào)控豆科植物根瘤高效固氮的分子機(jī)制
（通訊員王龍龍）7月30日，我校生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院在New Phytologist在線發(fā)表了題為“CRISPR/Cas9 knockout of leghemoglobin genes inLotus japonicusuncovers their synergistic roles in symbiotic nitrogen fixation”的研究論文。我校博士研究生王龍龍為該論文的第一作者，生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院端木德強(qiáng)教授為通訊作者。
豆科植物-根瘤菌共生固氮被認(rèn)為是目前最為高效的一種生物固氮體系。豆血紅蛋白(Leghemoglobin, Lb)是根瘤中最豐富的一類蛋白，約占成熟根瘤總蛋白含量的5%以上。學(xué)術(shù)界很早就提出了關(guān)于Lb功能的假說：根瘤細(xì)胞內(nèi)高濃度的Lb創(chuàng)造了一個(gè)相對(duì)低氧的環(huán)境，對(duì)固氮酶起到保護(hù)作用，同時(shí)，Lb又能夠傳遞低濃度、高通量的氧氣到線粒體及類菌體，以維持活躍的細(xì)胞呼吸。但該假設(shè)大多基于Lb和固氮酶的體外生化等研究結(jié)果，缺乏體內(nèi)研究結(jié)果的支持。
豆血紅蛋白維持根瘤高效固氮的分子模型
本研究以豆科植物百脈根（Lotus japonicus）為模式植物，利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)成功的創(chuàng)建了豆血紅蛋白（LjLb1/2/3）單基因、雙基因和三基因突變體（單突，雙突和三突）。三突呈現(xiàn)明顯的缺氮表型,雙突、單突缺氮表型依次遞減。結(jié)合互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)，單個(gè)Lb均可部分互補(bǔ)三突表型，非共生相關(guān)的植物血紅蛋白不能互補(bǔ)三突表型，而非豆科來源的共生血紅蛋白則可以部分互補(bǔ)三突表型。本研究證實(shí)了Lb是維持根瘤高效固氮不可或缺的重要組分，突變體共生表型分析及功能互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)首次揭示了Lb家族基因間的功能協(xié)同性、共生與非共生血紅蛋白的功能分化以及豆科與非豆科共生血紅蛋白間的趨同進(jìn)化關(guān)系。
為了進(jìn)一步挖掘Lb在維持根瘤固氮過程中的重要生物學(xué)功能，對(duì)Lb三基因突變體展開系統(tǒng)性研究：顯微觀察揭示了三突根瘤提前衰老表型及線粒體形態(tài)異常；RNA-seq分析發(fā)現(xiàn)，差異表達(dá)基因中除了包括碳代謝、氮代謝途徑相關(guān)基因外，還包括一系列轉(zhuǎn)錄因子、蛋白酶及血紅素合成代謝相關(guān)基因等，為深入研究Lb功能和根瘤衰老/早衰奠定了基礎(chǔ)；更有趣的是，Lb的缺失導(dǎo)致根瘤細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重ROS積累，說明Lb除了結(jié)合和傳遞氧氣之外，還可能參與了維持根瘤內(nèi)部ROS的動(dòng)態(tài)平衡。
由此，本研究系統(tǒng)的解析了百脈根豆血紅蛋白（LjLb1/2/3）協(xié)同調(diào)控根瘤高效固氮的分子機(jī)制，揭示了Lb參與維持ROS穩(wěn)態(tài)的新生物學(xué)功能，并初步闡明質(zhì)體中血紅素小分子合成在轉(zhuǎn)錄后水平的系統(tǒng)調(diào)控途徑，這些結(jié)果為研究成熟及衰老根瘤中的代謝調(diào)控、氧化還原平衡及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等奠定了很好的材料與理論基礎(chǔ)。
審核人：端木德強(qiáng)
論文鏈接：
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.16077
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