美科學家重大發現:讓植物從空氣中吸收氮

給植物施氮肥的最高境界是什么?說出來你一定同意:那就是培育植物直接從空氣中吸收氮。這無疑將是對農業和環境的巨大福音,當然也是多少科學家心中的夙愿。

眾所周知,氮是植物的一種重要營養物質,植物的生長少不了它。而盡管地球大氣層約78%是氮氣,但只有極少數的豆科植物具有固氮細菌,能通過一個固氮過程利用這份取之不盡的天然資源。而絕大多數的植物只能通過自己的根系吸收養分,由于土壤中常常缺乏氮元素,我們就不得不在農田里施放人造肥料。

美國華盛頓大學圣路易斯分校(WUSTL)的研究人員最近好像找到了一點讓空氣為植物施肥的門路,他們借助基因工程,設計出了能從空氣中有效吸收氮的細菌,而長期目標則是培育出能“自我施肥”的作物。

在提升植物固氮功能的研究中,科學家最近嘗試過對大豆植株進行基因工程,讓其產生更多的含氮蛋白質,這些蛋白質使植物生長旺盛;也試過另一種技術,就是將固氮細菌轉移到種子,這種方法可能用于幾乎任何植物。

Himadri Pakrasi (left), led a team of researchers that has created a bacteria that uses photosynthesis to create oxygen during the day, and at night, uses nitrogen to create chlorophyll for photosynthesis. The team included Michelle Liberton (second from left), Deng Liu and Maitrayee Bhattacharyya-Pakrasi. (Photo: Joe Angeles/Washington University)

WUSTL的新研究由?,數吕铩づ量死菇淌冢▓D中左一)帶領,同樣也聚焦于固氮細菌。他們著手從藍藻細菌(cyanobacteria)中分離固氮相關的基因,在這個過程中注意到一種“藍桿藻”(Cyanothece ),它是自然界少有的能利用晝夜節律的物種,它們在白天進行光合作用,而在夜間則利用氮創造用于光合作用的葉綠素,完成固氮。

研究小組首先確定了藍桿藻中哪些基因負責這一晝夜節律的生物鐘,再將這些基因拼接到另一種藍藻屬植物——集胞藻(Synechocystis)中,希望能觀察到后者獲得固氮的能力。結果,還真是如此。

團隊的做法包括,去除光合作用產生的氧(因為這會干擾固氮),給藍藻集胞藻加入負責這一晝夜節律的35個基因。這時,藍藻集胞藻顯現出固氮的能力,而“產量”大約只是藍桿藻固氮的2%,不算很好。

但后來的故事變得非常有趣。項目主要完成人之一的博士后研究員劉登試著在加入的基因中減少一些,結果是集胞藻的固氮效果反而提升了。在一次實驗中,劉登只給集胞藻移植24個新基因,而它的固氮率卻提高到藍桿藻固氮的30%以上。也就是說,徒弟的“武功”達到了師傅的三成。

“我必須說,這一成就超出我們的預料,”首席研究員帕克拉斯教授說,“這意味著我們的基因工程計劃是可行的?!?/p>

這些研究成果讓團隊向其目標——找到基因工程方法來固氮——邁出了一大步。如果植物自身能從空氣中固氮,就能增加農作物產量,減少肥料需求,不僅省了錢,也能避免肥料進入自然水道可能對環境產生的危害。因此有專家認為這一發現可能會對農業和地球的健康產生革命性的影響。

他們的研究發表在mBio雜志上。小云(圖:WUSTL)

ABSTRACT Biological nitrogen fixation is catalyzed by nitrogenase, a complex metalloenzymefound only in prokaryotes. N2 fixation is energetically highly expensive, and anenergy-generating process such as photosynthesis can meet the energy demand of N2fixation. However, synthesis and expression of nitrogenase are exquisitely sensitive tothe presence of oxygen. Thus, engineering nitrogen fixation activity in photosyntheticorganisms that produce oxygen is challenging. Cyanobacteria are oxygenic photosyntheticprokaryotes, and some of them also fix N2. Here, we demonstrate a feasible wayto engineer nitrogenase activity in the nondiazotrophic cyanobacterium Synechocystis sp.PCC 6803 through the transfer of 35 nitrogen fixation (nif) genes from the diazotrophiccyanobacterium Cyanothece sp. ATCC 51142. In addition, we have identified the minimalnif cluster required for such activity in Synechocystis 6803. Moreover, nitrogenase activitywas significantly improved by increasing the expression levels of nif genes. Importantly,the O2 tolerance of nitrogenase was enhanced by introduction of uptake hydrogenasegenes, showing this to be a functional way to improve nitrogenase enzyme activity undermicro-oxic conditions. To date, our efforts have resulted in engineered Synechocystis6803 strains that, remarkably, have more than 30% of the N2 fixation activity of Cyanothece51142, the highest such activity established in any nondiazotrophic oxygenic photosyntheticorganism. This report establishes a baseline for the ultimate goal of engineeringnitrogen fixation ability in crop plants.

來源:https://source.wustl.edu/2018/07/researchers-engineer-bacteria-that-create-fertilizer-out-of-thin-air/

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