了解豆科植物如何為根瘤菌提供氧氣，為根瘤轉移至非豆科作物做準備
2022/07/11 @國際
摘要
豆科植物在根瘤菌幫助下，將大氣的氮氣轉化為植物可吸收利用的氨(固氮作用)，植物則會提供糖份和氧氣給根瘤菌供應其生長所需，而形成互利共生關係，但若供給的氧氣過多反而會抑制將氮氣轉換為氨的酵素活性，因此植物產生豆科血紅素來控制氧氣進入，將其維持在固氮作用剛好的微氧環境。目前如何調節豆科血紅素的產生仍然未知，來自中國與法國的研究團隊找到兩種在根瘤形成後才產生的蛋白質NIN和NLP2，會活化並啟動豆科血紅素基因的表現，進而控制固氮作用，這項突破對未來將根瘤轉移至非豆科作物至關重要。
示意圖
科學家發現豆科植物內部控制攜氧分子產生的遺傳學，這對植物與固氮細菌間的密切關係至關重要。此發現使其他植物有可能從細菌中產生氨，進而減少依賴石化燃料並會造成汙染的合成肥料施用需求。豆類植物的根部是共生細菌的家園。這些細菌可以固定空氣中的氮氣並將之轉化為氨，而氨是植物的重要營養物質。植物則將這些細菌安置在根瘤中，並提供糖分和氧氣作為回報。植物供給的氧氣量要剛好支持細菌共生，因為細菌需要氧氣來為化學反應提供能量，但氧氣過多反而會抑制一種關鍵酵素，此酵素會將空氣中的氮轉化為植物可用的氨。植物對這種「生物固氮的供氧矛盾」，其解決方式是一種叫做「豆科血紅素」的分子。就像血液中攜帶氧氣的血紅素一樣，豆科血紅素與氧氣結合後呈紅色，所以會讓豆科植物的根瘤呈現粉紅色。但截至目前，我們仍不清楚植物如何控制這種分子的產生量。
來自中國上海科學院分子植物科學卓越中心(CEMPS) 與法國圖盧茲大學的研究團隊已經找出了兩個轉錄因子，負責控制豆科植物根瘤中豆科血紅素的產生量，為豆科植物如何創造固氮所需的微氧環境提供了關鍵解釋，研究團隊利用豆科模式植物蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)作為研究對象，觀察植物中與根瘤形成相關的蛋白質，發現有兩種蛋白質- NIN和NLP2，當它們處於非活化狀態時，固氮作用就會減少。為了深入研究，他們在氣耕系統中種植植物，以方便觀察根瘤，結果發現缺乏NIN和NLP2的植物體積及根瘤皆較小，其豆科血紅素表現量較低，而進一步的實驗則發現NIN和NLP2會直接活化豆科血紅素基因的表現。【延伸閱讀】- 由研究員揭露植物與真菌共生的核心基因集合
這項研究也為此重要的共生演化機制提供了解釋，他們發現轉錄因子家族中的其他成員參與調節植物中非共生血紅素的產生，而這些非共生血紅素與植物對低氧環境的反應有關。本研究可用於改善豆科植物中的固氮作用，且對於將根瘤轉移到非豆科作物上有其重要性。
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