植物-微生物共生第四讲

固氮酶对氧气高度敏感，但是绝大多数根瘤菌 是严格的需氧细菌
为了解决这一生理矛盾：
根瘤皮层的氧气扩散屏障可以使得含有类菌体的固氮中心区域自由 氧的浓度低于50 nmol／L。
中心区高浓度的豆血红蛋白可以帮助氧气扩散，而类菌体的呼吸是通 过诱导高亲和力的细胞色素氧化酶C来实现的。
固氮（nif）基因簇
豆科植物为类菌体提供碳源，碳 源的代谢为固氮提供能量用于交 换类菌体所固定的氮
根瘤中营养物质交换的假设模型 1. 碳源（糖类物质）通过韧皮部被运送到根瘤 2. 未被侵染的细胞主动积累的糖类物质（如蔗糖），糖的水解产物代谢生成磷酸烯 醇式丙酮酸，后者再被羧酸化为草酰乙酸，草酰乙酸被还原为苹果酸供给被侵 染细胞中的类菌体。 3. 共生体膜上未发现乙二酸载体，根瘤菌膜上的乙二酸转运系统为类菌体固氮必 需。 4. 三羧酸循环是根瘤菌的主要代谢途径。 5. 类菌体固氮酶还原N2的产物－氨，然后通过植物谷氨酰胺合成酶途径吸收到 谷氨酰胺氨基酸中。 6. 形成无限根瘤的多数温带豆科植物主要将天冬氨酸从根瘤运送到茎叶，有限根
最近新发现了一些根瘤菌突变体有Nif＋Eff－共生表现型：可以固 氮，但植物体却不能利用所固定的氮。
假设：一个氨基酸循环体系可能起作用：类菌体吸收谷氨酸或其它 氨基酸并对草酰乙酸或丙酮酸进行转氨作用，最终经一个或两个 氨基酸载体分泌丙氨酸或天门冬氨酸。 根瘤菌如果发现宿主植物没有为共生提供足够的支持，可能扣下 固定的氮从而警告植物（根瘤菌对植物的惩罚）；豆科植物也可以 通过调控氧气等手段减少低效根瘤菌的繁殖率来制裁不合作的根 瘤菌。
越来越多的研究表明，共生双方对彼此十佳制裁，对于豆科植物 －根瘤菌互利共生进化具有重要意义。
二 化合态氮对结瘤固氮的调控
根瘤菌－豆科植物共生，可以使豆科植物在缺少有效氮源的环 境中生长。结瘤固氮需要消耗很多能量，豆科植物对这个过程 进行严密的调控。 结瘤的自我调控（autoregulation of nodulation； AON) 环境中可利用氮素的调节 共生固氮还受着植物整体氮素情况的系统调控
WT：野生体 M： LRR－RLK突变体
Journal of Integrative Plant Biology Volume 52, Issue 1, pages 61-76, 11 JAN 2010 DOI: 10.1111/j.1744-7909.2010.00899.x http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1744-7909.2010.00899.x/full#f4
植物－微生物共生
第四讲
根瘤菌－豆科植物 共生的分子机制
根瘤菌－豆科植物共生体系的建立 结瘤机制 共生固氮机制 化合态氨对结瘤固氮的调控
一 共生固氮机制
蛋白质 固氮酶复合物（nitrogenase)
（MoFe7S8）
由固氮酶和固氮还原酶两个独立的蛋白质构成 。两种蛋白质都含有铁，并且固氮酶还有钼。固 氮酶中的铁和钼包含于一个称为FeMo-co的辅 助因子中。FeMo-co的成份是MoFe7S8・高柠檬 酸（左图）。 N2的还原反应发生的场所。每分 子固氮酶存在两个FeMo-co拷贝。 共生固氮是通过一组固氮基因（nif）来完成的， 数量因种而异。
基因 nifH nifDK
nifEN nifB nifA
功能 固氮酶还原酶 编码固氮酶的
用于编码组装铁钼辅助因子的分子骨 架 合成一个Fe－S簇 调控基因
Presence of nif genes in Klebsiella pneumoniae and in rhizobial strains with fully sequenced genomes. Genes present in the genomes listed in the upper line are color-coded according to their function [14]. Abbreviations: Kp, Klebsiella pneumoniae; BTAi1, Bradyrhizobium sp. BTAi1; ORS278, Bradyrhizobium sp. ORS278; Ac, Azorhizobium caulinodans ORS571; Bj, Bradyrhizobium japonicum USDA110; Ml, Mesorhizobium loti MAFF303099; Ct, Cupriavidus taiwanensis LMG19424; Sm, Sinorhizobium meliloti 1021; Rl, Rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841. In rhizobia, FixU functionally replaces NifT.
蛋白质
高柠檬酸 固氮酶中铁钼辅助因子FeMo-co的结构
（丙酮酸）
（乙酰-CoA） （丙酮酸黄素氧化还原酶）
（黄素氧还蛋白） （固氮酶还原酶）
固氮酶的功能
（固氮酶）
（固氮酶复合体）
（乙烯）
（乙炔）
（a）：显示了从丙酮酸开始的固氮步骤。 电子在同一时间由固氮酶复合体的还原酶 共给固氮酶。每提供一个电子同时水解2或 3个ATP。 （b）：N2还原的假设步骤，显示了H2的释放 步骤以及固氮酶的总活力。
类 受 体 蛋 白 激 酶 ( r e c e p t o r —l i k e p r o t e i n k i n a s e , RL K s)属于蛋白激酶的一个亚家 族口],胞 内激酶区 通过磷酸化或去磷酸化 ,开启或关闭下游靶蛋 白,将 胞外信号转换为胞质信号。
Molecular Analysis of Legume Nodule Development and Autoregulation
尽管固氮基因的调控网络不同，但最终 都是感应氧气和（或）化合态氮来调节 NifA的表达。
根瘤菌的固氮基因和微氧生长相关基因的转录调控网络
微氧生长相关 基因的转录
FixL和NifA是氧气感应蛋白；RegS是氧化还原感应蛋白；∼P表示磷酸化基团 FixL包含一个血Baidu Nhomakorabea素基团，与O2结合后，引起FixJ的磷酸化响应。
（二）氮素对结瘤的调控
（三）共生固氮受着植物整体氮素状况的系统调控
对分根试验中一侧根系NO3-、NH4+的吸收量或者N2固定量进行控制， 另一侧根系所吸收或固定的氮素量就会发生相应的变化。
（一） 结瘤的自我调控（Autoregulation of nodulation； AON)
一种长距离的根－茎信号转导途径来实现对结瘤的调控
LRR RLK ：亮氨酸重复的类受体激酶（leucinerich repeat receptor-like kinase) Q: 多肽信号
（结瘤因子）
（硝态氮）