專案文章｜Science：豆科植物根瘤內豆血紅蛋白基因表達調控機制

近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心 Jeremy Dale Murray 課題組，在 Science 雜誌線上發表了題為“NIN-like protein transcription factors regulate leghemoglobin genes in legume nodules”的研究論文，首次報道了轉錄因子 NLP 家族對根瘤內豆血紅蛋白基因表達調控機制。

中國科學院分子植物科學卓越創新中心助理研究員姜蘇育為第一作者。

歐易生物

在本研究中承擔

表達譜晶片實驗及分析工作

。

研究背景

豆科植物可以與根瘤菌形成內共生，形成高度特化的根瘤，根瘤菌的固氮酶將氮轉變為植物可以利用的氨。固氮反應需要消耗大量的能量，宿主植物和固氮菌的呼吸反應需要消耗大量的氧氣；而固氮酶對氧氣又比較敏感，需要在低氧環境下才能保持較高的固氮效率；固氮酶與氧濃度之間這一平衡被稱為“氧悖論”。

根瘤細胞可以合成大量的共生豆血紅蛋白（LgHbs）來調節氧濃度，LgHbs 由血紅素和蛋白質組成，其中的血紅素可以與氧氣結合以降低氧濃度，需要時也可以將所結合的氧氣釋放以滿足呼吸反應的需求。由於 LgHbs 的含量和組分直接影響根瘤內固氮酶的活性，在豆科植物生物固氮中發揮關鍵作用，但是迄今為止有關根瘤內豆血紅蛋白基因表達調控機制還尚無報道。

研究內容

NLP（NIN-Like Protein）家族是植物特有的一類轉錄因子，它能夠結合靶基因啟動子中的特殊“元件”（硝酸鹽響應元件，Nitrate Response Element，NRE）來啟用下游基因的表達，參與調節植物氮代謝過程。

本研究發現，LgHbs 啟動子中存在獨特的“雙”NRE 元件（dNREs），而 NLP 家族成員 NLP2 和 NIN 可以透過直接結合該元件以調控 LgHbs 的表達，NRE 元件缺失會導致血紅蛋白表達的顯著下降。本研究表明，NLP-血紅蛋白模組與缺氧生存的作用在根瘤中得以延續。本研究闡明瞭豆科植物固氮的新調控機制，也為提高豆科植物的固氮能力提供了理論基礎。

研究結果

NIN 和 NLP2 是在紫花苜蓿根瘤中表達的僅有的 NLPs 成員。結果顯示，NLP2 敲除的根上結瘤變小，相應地固氮能力下降（圖 C-D）。

圖 1 | 蒺藜苜蓿根瘤中 NLP2 的表達和 nlp2 結瘤表型

同時，nlp2 突變體根瘤中 LgHb 表達和血紅素含量降低（圖 B-C）。對培養與不同氮濃度的 nlp2 突變體進行表達譜分析，結果顯示氮濃度影響基因表達（圖 D）。同時表達譜結果顯示，nlp2 突變體中 LgHbs、血紅素生物合成酶和硝酸鹽轉運蛋白基因表達顯著下降（圖 E-F）。在 nlp2 突變體中表達 NLP2 啟動子可以部分恢復缺陷表型（圖 G）。

圖 2 | NLP2 缺失降低了固氮、植物氮含量、LgHb 和血紅素水平

進一步分析顯示，在 nlp2 突變體根瘤中表達量下降最明顯的 55 個基因中，有 28 個基因的啟動子中含有 NLPs 轉錄啟用所需的硝酸鹽響應元件 （NREs）。在 LgHb 基因啟動子中發現了兩個部分重疊的 NRE 組成的 dNREs（圖 A）。EMSA 實驗、菸草中的異源表達實驗證實，NLP2 和 NIN 蛋白可以與 LgHb 啟動子中的 dNRE 結合並激活其表達（圖 C-F）。nlp2 突變體中 nin 突變會導致根瘤中 LgHb 表達量進一步降低，表明 NLP2 和 NIN 對於根瘤中 LgHbs 的轉錄調控存在冗餘。

圖 3 | NLP2 透過 NRE 元件直接調控 LgHb 表達

系統發育分析顯示，NLP2 的同源基因僅存在於豆科植物中，NIN 存在於豆科植物和結瘤的非豆科植物中。從進化角度而言，暗示 NLPs 對血紅素的調控是 NIN 在結瘤非豆科植物中募集的基礎，其次是 NLP2 的募集，進而提高了 LgHb 在豆科植物根瘤中的表達。

原文連結

https：//doi。org/10。1126/science。abg5945

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鄭小辮兒 撰文

本文系歐易生物原創

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