初農生物研究豆科植物結瘤固氮所需的酶和細胞間的相互作用

氮素是地球上生命體重要的基本組成元素之一，參與植物體生長髮育、物質合成與代謝等一系列生物學過程。初農生物研究員發現儘管大氣中氮元素含量極其豐富，卻不能被植物直接利用。與大多數其他植物不同，豆科植物可以透過與根瘤菌科固氮菌建立共生關係獲取大氣中的氮元素，固氮菌侵入植物根系組織並誘導增殖形成根瘤。在受侵染的根瘤細胞中，細菌分化形成類似於細胞器樣的結構，其中含有氧敏感的固氮酶複合物，用於將氮氣固定為氨態氮，進而為植物提供氮素養料，植物和寄生在其體內的固氮菌能夠互相為對方提供營養而處於均衡狀態。

近日，德國漢諾威大學Claus-Peter Witte教授團隊在國際頂尖刊物Nature Communications上發表題目為Enzymes and cellular interplay required for flux of fixed nitrogen to ureides in bean nodules的論文，系統解析了根瘤菌在豆科作物根瘤內如何利用氮氣生物合成尿素的生物學過程。

植物利用固氮菌合成的氨，透過自身還原和其他生物學作用為其生長提供的營養物質。氨在被植物同化過程中，需要在根瘤中發生長距離的氮轉運，用於透過根瘤維管系統將氨輸出到植物枝條等組織，而這一過程發揮作用的關鍵活性酶及細胞間的相關作用是如何協同進行，是影響固氮菌和植物營養代謝效率的關鍵環節。

圖1 豆類根瘤中醯脲生物合成基因啟動子的細胞型別特異性活性。

初農生物研究中以熱帶豆科植物為模式，分析其以尿素（尿囊素和尿囊酸）的形式從結節到枝條長距離運輸固定氮的生物學過程。醯脲苷是由嘌呤單核苷酸透過部分未知的反應網路在結節中形成的，該反應網路涉及多重受菌株感染和未感染的細胞的協調作用。在這一研究中，利用基因編輯技術構建了菜豆（Phaseolus vulgaris）結瘤相關的黃嘌呤單磷酸磷酸酶 （XMPP）、鳥苷脫氨酶 （GSDA）、核苷水解酶 1 和 2 （NSH1、SH2） 或黃嘌呤脫氫酶 （XDH）等的功能缺陷突變體，透過代謝分析發現醯脲的生物合成與以上這些酶存在一定相關性，黃嘌呤和鳥嘌呤是這一生物合成過程中的關鍵代謝物，而肌苷一磷酸分解代謝則不參與該過程。更為有趣的現象是，啟動子報告分析顯示 XMPP、GSDA 和 XDH 在被侵染細胞中表達，而 NSH1、NSH2和下游酶尿酸氧化酶 （UOX） 和尿囊素酶 （ALN） 的啟動子在未被侵染的細胞中表現出活性。最終發現，尿素的生物合成是一個複雜的細胞過程，其合成中共需要在侵染細胞和未侵染染細胞之間出現三次細胞間的轉換和交流。

圖2 豆類根瘤中醯脲的生物合成和出口的更新模型