近日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 Jeremy Dale Murray 課題組，在 Science 雜志在線發(fā)表了題為“NIN-like protein transcription factors regulate leghemoglobin genes in legume nodules”的研究論文，首次報(bào)道了轉(zhuǎn)錄因子 NLP 家族對(duì)根瘤內(nèi)豆血紅蛋白基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制。

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)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(dān)表達(dá)譜芯片實(shí)驗(yàn)及分析工作。

?研究背景?

豆科植物可以與根瘤菌形成內(nèi)共生，形成高度特化的根瘤，根瘤菌的固氮酶將氮轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锟梢岳玫陌?。固氮反?yīng)需要消耗大量的能量，宿主植物和固氮菌的呼吸反應(yīng)需要消耗大量的氧氣；而固氮酶對(duì)氧氣又比較敏感，需要在低氧環(huán)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(xì)胞可以合成大量的共生豆血紅蛋白（LgHbs）來(lái)調(diào)節(jié)氧濃度，LgHbs 由血紅素和蛋白質(zhì)組成，其中的血紅素可以與氧氣結(jié)合以降低氧濃度，需要時(shí)也可以將所結(jié)合的氧氣釋放以滿足呼吸反應(yīng)的需求。由于 LgHbs 的含量和組分直接影響根瘤內(nèi)固氮酶的活性，在豆科植物生物固氮中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但是迄今為止有關(guān)根瘤內(nèi)豆血紅蛋白基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制還尚無(wú)報(bào)道。

?研究?jī)?nèi)容?

NLP（NIN-Like Protein）家族是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，它能夠結(jié)合靶基因啟動(dòng)子中的特殊“元件”（硝酸鹽響應(yīng)元件，Nitrate Response Element，NRE）來(lái)激活下游基因的表達(dá)，參與調(diào)節(jié)植物氮代謝過(guò)程。

本研究發(fā)現(xiàn)，LgHbs 啟動(dòng)子中存在獨(dú)特的“雙”NRE 元件（dNREs），而 NLP 家族成員 NLP2 和 NIN 可以通過(guò)直接結(jié)合該元件以調(diào)控 LgHbs 的表達(dá)，NRE 元件缺失會(huì)導(dǎo)致血紅蛋白表達(dá)的顯著下降。本研究表明，NLP-血紅蛋白模塊與缺氧生存的作用在根瘤中得以延續(xù)。本研究闡明了豆科植物固氮的新調(diào)控機(jī)制，也為提高豆科植物的固氮能力提供了理論基礎(chǔ)。

?研究結(jié)果?

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

圖?1 | 蒺藜苜蓿根瘤中?NLP2?的表達(dá)和?nlp2?結(jié)瘤表型

同時(shí)，nlp2?突變體根瘤中 LgHb 表達(dá)和血紅素含量降低（圖 B-C）。對(duì)培養(yǎng)與不同氮濃度的?nlp2?突變體進(jìn)行表達(dá)譜分析，結(jié)果顯示氮濃度影響基因表達(dá)（圖 D）。同時(shí)表達(dá)譜結(jié)果顯示，nlp2?突變體中 LgHbs、血紅素生物合成酶和硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)顯著下降（圖 E-F）。在?nlp2?突變體中表達(dá)?NLP2?啟動(dòng)子可以部分恢復(fù)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(jìn)一步分析顯示，在?nlp2?突變體根瘤中表達(dá)量下降最明顯的 55 個(gè)基因中，有 28 個(gè)基因的啟動(dòng)子中含有 NLPs 轉(zhuǎn)錄激活所需的硝酸鹽響應(yīng)元件?(NREs)。在?LgHb?基因啟動(dòng)子中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)部分重疊的 NRE 組成的 dNREs（圖 A）。EMSA 實(shí)驗(yàn)、煙草中的異源表達(dá)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，NLP2 和 NIN 蛋白可以與?LgHb?啟動(dòng)子中的 dNRE 結(jié)合并激活其表達(dá)（圖 C-F）。nlp2?突變體中?nin?突變會(huì)導(dǎo)致根瘤中?LgHb?表達(dá)量進(jìn)一步降低，表明?NLP2?和?NIN?對(duì)于根瘤中?LgHbs?的轉(zhuǎn)錄調(diào)控存在冗余。

圖?3 | NLP2?通過(guò) NRE?元件直接調(diào)控?LgHb?表達(dá)

系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，NLP2 的同源基因僅存在于豆科植物中，NIN 存在于豆科植物和結(jié)瘤的非豆科植物中。從進(jìn)化角度而言，暗示 NLPs 對(duì)血紅素的調(diào)控是 NIN 在結(jié)瘤非豆科植物中募集的基礎(chǔ)，其次是 NLP2 的募集，進(jìn)而提高了 LgHb 在豆科植物根瘤中的表達(dá)。

?原文鏈接?

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(chuàng)

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