基因組團跨界 打造植物固氮「超人」

擁有固氮能力的藍細菌

7月16日，美國聖路易斯華盛頓大學學術資源網站報道了該校研究團隊通過基因工程方法，將既能進行光合作用又能進行固氮作用的藍細菌 （一種單細胞原核生物）中20多個固氮基因，轉移到另一種不能固氮但能進行光合作用的藍細菌中，讓後者獲得了固氮能力。

「下一個目標是讓植物固氮。」報道的副標題這樣寫道。雖然植物的葉綠體被認為來源於藍細菌，但這一發現距離讓植物擁有固氮能力，還有著尚難預測的諸多挑戰。

「這一工作還沒有突破出『原核生物』的界限。自然界只有部分原核生物能夠進行生物固氮作用，中國農業大學陳三鳳教授團隊和北京大學王憶平教授團隊分別在前幾年已經通過合成生物學等手段實現了讓大腸桿菌進行生物固氮，而且使用的固氮相關基因數量更少。」中國農業大學生物學院農業生物技術國家重點實驗室教授田長富表示。

植物生來沒有固氮能力，氮營養需要通過施用氮肥等方法從外界提供，否則就會矮小、細弱、葉黃。為了讓植物能夠從空氣中直接利用氮元素，擁有固氮超能力，科學家一直在嘗試用已經發現的固氮基因改造植物基因組，但目前還沒有獲得植物界固氮「超人」。

涉及多個基因，複雜度成倍增加

「自然界細菌和植物之間的基因轉移是可能發生的，但具有偶然性。而且與其他細胞功能互作越多的基因功能，其基因水平轉移的概率越低。通過遺傳工程手段有目的地構建具有優良品質或抗性的轉基因作物是利用這一自然現象的典型例子。但是，已有的轉基因農作物只需要轉移一個或少數幾個基因。而生物固氮作用是一個多基因控制的複雜過程，需要固氮酶核心組分、金屬原子簇和電子傳遞系統。要將生物固氮功能轉入植物將面臨很大的挑戰：固氮酶對氧敏感，固氮過程需要消耗很多能量和還原力。」田長富說，將一群基因組團轉入到植物中，面臨著多個基因能否在新環境下不打破原有「合作模式」，以及能否和植物中已有系統進行有效整合等問題。

「有一些研究取得了階段性進展，例如利用分子檢測技術發現，在酵母和植物中表達了想要的個別或全部固氮酶組分，但它們並沒有表現出固氮能力。」田長富說，也就是說，轉入基因翻譯出的蛋白，沒有實現固氮酶的活性。「可能是因為後期的固氮酶裝配沒完成，也可能是固氮酶發揮作用的條件不滿足。」

「最近，王憶平教授團隊發現，來自植物葉綠體和根部白體的電子傳遞模塊，能夠替代原核生物固氮酶系統中負責電子傳遞的原始模塊，為固氮過程提供還原力。而國外的研究也證明，來自酵母線粒體和煙草葉綠體的金屬原子簇合成系統，能夠為固氮過程提供金屬原子簇。」儘管想讓原核生物的固氮基因「潛入」植物基因組並發揮作用的嘗試屢屢受挫，但這些階段性成果為我們注入了新希望。

除了將細菌的固氮基因轉入植物，讓植物自己固氮，我們還可以借鑒自然界已經存在幾千萬年的根瘤菌—豆科植物共生固氮現象。根瘤菌誘導豆科植物形成根瘤並在根瘤細胞內進行固氮作用——豆科植物為根瘤菌提供能量和養分並控制根瘤細胞內的氧濃度，保證根瘤菌的高效固氮過程，而根瘤菌將固定的氮素提供給豆科植物。所以，種植豆科作物，可以少施或不施化學氮肥。

「近年來，國內外多個研究團隊希望將豆科植物與根瘤菌的共生能力轉移給小麥、水稻等禾本科植物，解決糧食施肥的問題。」田長富說，雖然目前尚未看到根瘤菌誘導禾本科結瘤的報道，但是「用生化方法可以檢測到野生型或經過遺傳修飾的非豆科植物對根瘤菌共生信號分子的部分響應。」田長富表示，目前還沒有達到根瘤菌對禾本科植物的有效胞內侵染——這是實現非豆科植物共生固氮的瓶頸問題。

控氧且供能，最後卻最難的「一公里」

「將基因轉入植物，並經過轉錄翻譯出蛋白質來並不難，難的是要有固氮酶的活性。」田長富說，對氧敏感是固氮酶的特有屬性。這也是為什麼在聖路易斯華盛頓大學的研究工作中，為了讓全新的工程菌固氮，需要人工去除氧氣。而自然界能夠固氮的藍細菌是通過高強度的呼吸作用消耗氧氣，為夜間的固氮過程創造條件。

細胞中的氧會「鉗制」住固氮酶，使其成為不發揮作用的蛋白。針對將和固氮相關的一組基因轉入植物後，只表達蛋白卻沒有固氮功能的現象，對豆科植物和根瘤菌共生機制的探秘或許能解答一二。

「太耗能！如果沒有穩定的能量來源，根瘤菌也是維持不了多久的。」田長富解釋。如此一來，豆科植物「固氮」超能的獲得和「鋼鐵俠」獲得超能力模式相似，是借用了外力。

田長富用「捕獲」一詞生動地解釋豆科植物根部細胞對根瘤菌施加的影響。植物細胞將根瘤菌吞噬進來，這些根瘤菌被來自細胞膜的膜結構所包裹，形成一個個能夠固氮的「共生體」。

「在為植物固氮時，這些菌的狀態很像『植物人』，完全喪失自我。本能生命活動降低到最低，不分裂也不生長。」田長富說，這種「植物人」狀態之所以能夠維持，是因為植物細胞和根瘤菌雙方精密的調控。

植物的「調控」包括兩個方面：控氧和供能。「根瘤中有大量我們稱為『豆血紅蛋白』的物質，能夠與氧氣結合，使得菌體生活在微氧環境下，既保持了固氮酶的活性還維持了菌體的生命。」田長富說，與此同時，植物細胞還通過大量的細胞通路將植物本身產生的能量傳遞給根瘤菌，而根瘤菌自身也要特異地調用或關閉相關通道來控制與植物之間的物質交流，從而維持它持續不斷地「固氮」活動。

豆科植物對根瘤菌的俘獲和雙方「拿捏有度」的調控機制，目前並未被完全揭開面紗。如何模仿出相關機制，完成巧奪天工的生物工程設計，必須要邁過這最後卻也是最難的「一公里」。

加強基礎研究，尋找破題「鑰匙」

可以肯定的是，在自然界的「固氮工廠」中，產生核心酶固然重要，但酶是否擁有活性、能否完成氮元素由遊離態到化合態的「固定」工作，細胞中的其他配套系統怎樣發揮作用也至關重要。「對於構建能夠固氮的植物，通過優化啟動子、調控基因等幫助核心基因群（固氮基因）表達是一方面，探求輔助系統的工作細節也是研究的關鍵。」田長富說。為此，通過基礎研究探尋整個「固氮行動」的參與基因和細胞通路等分子機制，最終發現固氮「觸發器」和「自適應調控系統」，是推動應用的關鍵。

「對於根瘤菌與植物的共生固氮體系，長久以來，人們一直認為包括結瘤和固氮基因在內的關鍵共生基因的水平轉移是根瘤菌建立共生的決定因素,但也有一些根瘤菌缺少典型的結瘤基因。隨著近年來研究的不斷深入，人們逐漸認識到：核心共生固氮基因功能與受體基因組功能的整合效果是影響固氮效率的重要因素。」田長富說，在禾本科等非豆科植物構建根瘤菌共生固氮體系時也需要考慮類似問題。

「多基因控制的生物固氮基因工程研究挑戰很大，還伴隨著基因組中其他功能的『輔佐』。」田長富總結道，固氮系統的整個藍圖仍未被破解——（結瘤）固氮功能在原核生物不同菌種中的整合效率及其分子機制，核心固氮功能與植物基因組功能的適配性，核心結瘤功能與非豆科植物的適配性等科學問題亟待重點研究。當基礎研究有所突破後，才能更有效地推動「生物固氮」的應用。

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