生物固氮作用的分子机理研究

项目名称：生物固氮作用的分子机理研究首席科学家：王忆平北京大学

起止年限：2010年1月-2014年8月

依托部门：教育部

一、研究内容

生物固氮研究的关键科学问题是获得最佳生物固氮体系（包括共生固氮、联合（内生）固氮等）和建立非豆科植物的自主固氮体系，具体包括：（1）阐明根瘤菌共生固氮基因表达调控的网络，根瘤菌识别、传递环境和植物信号，调节自身基因表达的分子机理；（2）揭示固氮及氮代谢基因调控机理，与碳代谢系统及其基因的调控偶联机制；（3）阐明共生固氮体系中植物与微生物相互作用的机理，如植物与微生物相互识别及分子信号的传导机制，克服宿主特异性，从而扩大根瘤菌的宿主范围；（4）利用单细胞真核生物--酵母菌的线粒体遗传操作系统，探索固氮基因簇向真核生物转化和表达的机制，为固氮基因向高等植物转移，建立非豆科植物自主固氮体系的奠定基础。（5）阐明固氮酶结构、功能和催化机理。

围绕上述提高生物固氮效率、扩大共生固氮植物范围、建立自主固氮体系的关键问题，主要研究内容有：

（1）以模式豆科植物共生固氮体系为材料，分离和鉴定参与根瘤菌结瘤因子信号传递的调控元件及基因，研究和建立根瘤菌与宿主植物共生关系蛋白相互作用网络；通过对豆科植物与根瘤菌、AM真菌共生的异同以及与非豆科植物比较基因组学研究，揭示非豆科植物中存在哪些与共生相关基因的功能及调控机制，为探索扩大根瘤菌寄主范围和建立非豆科共生固氮途径可能性提供科学资料；分离和鉴定LysR、GntR等家簇转录因子及其靶基因，阐明根瘤菌主代谢与共生固氮功能的相关性和调控机理；开展根瘤菌群体感应系统、Ⅲ型分泌系统及胞外多糖合成基因表达调节的双组分调控系统的研究，阐明这些代谢系统在不同环境条件下的功能和作用机制，揭示根瘤菌环境适应性与竞争结瘤之间的相关性。

（2）碳代谢与氮代谢是自然界生命活动的两大主要代谢作用。固氮基因调控机理，以及碳代谢和氮代谢之间的调控偶联途径已经得到了解析，但碳代谢对固氮基因的表达的抑制机理与途径有较大不同。因此，进一步解析碳代谢调控系统对固氮基因的调控偶联机理将为提高生物固氮效率打下理论基础；建立酵母菌单细胞真核生物及其线粒体遗传操作系统，探索固氮基因簇向真核生物转化的可能和表达机制。包括：酵母菌线粒体遗传操作系统的构建；线粒体钼的运输、RNA 聚合酶对固氮基因表达的影响（RNA聚合酶、 因子、DNA折叠蛋白等）；线粒体呼吸耗氧与固氮酶厌氧的关系和影响；线粒体与细胞质之间的氨基酸穿梭往返机制对生物固氮效果的影响等。以上研究是固氮基因向真核生物转移的新的尝试，为非豆科植物（包括粮食作物）建立自主的生物固氮体系探索新路。

（3）联合固氮作用有三个重要的限制因子，即氧、铵和能量。其中，能量和铵又是导致目前田间联合固氮效率低下的最主要限制因子。我们拟利用功能基因组操作平台，对斯氏假单胞菌和巴西固氮螺菌等联合固氮菌和上述主要限制因子，在联合固氮微生物功能基因组、联合固氮基因表达调节以及固氮酶催化机制等开展工作。分析鉴定可能参与细菌氮信号传导、调控或保持最佳固氮水平的新基因和新机制，系统研究联合固氮体系形成的分子机理和联合固氮微生物对土壤环境变化的适应能力, 探讨提高作物与固氮微生物之间的联合固氮效率的策略。

（4）在固氮酶还原氮气和质子的分子机制方面，利用生物信息学和结构化学理论，分析研究野生型及各突变株固氮酶还原N2和H+的动力学、EPR、CD波谱的络合和还原位置及其电子质子传递通道。

等特征。明确N

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二、预期目标

总体目标：

本项目的总体目标是借助分子生物学和现代生物技术，开展生物固氮作用的分子机理研究，在分子水平上解析低等固氮微生物与高等植物宿主之间遗传信息的交流；共生固氮体系的建立；固氮过程中能量及营养物质的交换；固氮功能的发挥等关键科学问题。为扩大根瘤菌宿主植物范围、提高生物固氮效率，探索非豆科植物共生体系及自主固氮的可能性提供科学依据，为生物固氮在农业生产中的应用提供理论基础和技术支撑，缓解和减轻农业生产中长期和大量依赖工业氮肥施用所造成的能源和环境问题，为保障我国粮食生产安全，农业可持续发展提供新的途径。

五年目标：

1）建立根瘤菌与宿主植物共生关系中蛋白相互作用网络，分离和鉴定参与根瘤形成和发育功能基因及其调控蛋白，阐明根瘤菌共生信号在豆科植物中接受、传递及其调控的机制；建立豆科植物突变体库，分离和鉴定与共生固氮相关的突变株；比较豆科植物与根瘤菌或AM真菌共生基因的异同，并比较非豆科植物基因组，阐明非豆科植物中存在哪些与共生固氮相关的基因及其功能、表达与调控机制。

2）通过基因芯片等转录组学方法，分离和鉴定LysR和GntR家族转录因子调节的下游靶基因，阐明其调节共生固氮作用的分子机理；通过定向缺失突变，分离和鉴定参与根瘤菌细胞周期调控以及共生固氮作用的激酶和反应蛋白基因，并确定其相互作用网络；分离和鉴定参与共生固氮作用的功能基因和调节蛋白，阐明根瘤菌共生固氮基因表达调控的网络，根瘤菌识别、传递环境和植物信号，调节自身基因表达的分子机理。

3）在结构层面和基因组水平揭示固氮及氮代谢基因调控机理，与碳代谢系统及其基因的调控偶联机制，为提高固氮效率奠定理论基础；在结构层面上解析根瘤菌共生固氮的唯一碳源（能量）供应系统（Dct）的信号转导原理及其调控机制，为提高共生固氮效率奠定理论基础；构建单细胞真核生物--酵母菌的线粒体遗传操作系统，探索固氮基因簇向真核生物转化和表达的机制，为固氮基因向高等植物转移，建立非豆科植物（包括粮食作物）自主固氮体系的奠定基础。

4）开展联合固氮微生物比较基因组、生物固氮体系的进化、不同条件下联合固氮微生物基因表达谱的研究，揭示生物固氮进化途径的形成和机制，分析鉴定可能参与细菌氮信号转导或保持最佳固氮水平的新基因；系统研究联合固氮体系形成的分子机理，建立稳定的联合固氮体系，为提高作物与固氮微生物之间的固氮效率提出新策略；

5）分析P-cluster和FeMoco之间α螺旋上单个氨基酸替换后固氮酶结构的变化和可能对电子质子传递的影响，对固氮酶MoFe蛋白α亚单位中FeMo辅因子周围多肽环境中保守氨基酸定位诱变并构建不同的突变株，明确FeMoco的Fe

2是否是氮的络合和还原位置，及用于氮和质子还原的电子质子传递通道。和Fe

6

6）分离和鉴定100个左右在共生固氮系统中参与根瘤形成和发育、共生固氮作用的功能基因和调节蛋白、根瘤菌细胞周期调控、LysR和GntR家族调控子（regulon）的新基因；分离和鉴定30-50个与共生固氮相关的突变体；20个联合固氮系统中参与细菌氮信号转导或保持最佳固氮水平的新基因；在影响因子2以上的国际刊物上发表论文80篇或达到相应的影响因子总数的文章数目。申请