豆科植物的根瘤被豆红蛋白染成粉红色，是由植物和有益细菌之间的共生关系引起的。图片来源:约翰英尼斯中心

科学家们在豆科植物中发现了一种基因，这种基因控制着一种携带氧气的分子的产生，这种分子对植物与固氮细菌的密切关系至关重要。

这一发现为其他植物提供了从细菌中生产氨的能力，减少了对依赖化石燃料和污染的作物使用合成肥料的需求。

豆科植物的根是共生细菌的家园。这些细菌可以固定空气中的氮，将其转化为氨，这是植物的一种关键营养物质。

作为回报，植物在根瘤中为细菌提供糖分和氧气。需要适量的氧气来维持共生关系，细菌需要氧气来进行化学反应，但过量的氧气会抑制一种关键酶，这种酶能将空气中的氮转化为植物可以利用的氨。

这种植物解决这种“生物固氮的氧气悖论”的方法是一种被称为leghem血红蛋白的分子。就像我们血液中携带氧气的血红蛋白一样，血红蛋白与氧气结合，是红色的;它使豆科植物的结节呈粉红色。到目前为止，人们还不清楚植物是如何控制这种分子的产生的。

该研究小组已经确定了两种转录因子，它们控制豆科植物根瘤中生成的血红蛋白的数量。

“这为豆科植物如何创造固氮所需的微氧环境提供了一个关键的见解。这一知识可能有助于提高豆科植物的固氮作用，并对将结瘤转移到非豆科作物至关重要，”通讯作者、CEpAMS小组组长Jeremy Murray博士解释说。

Jeremy Murray博士继续说:“虽然已经发现了许多参与其他结瘤过程的基因，但这是直接参与控制固氮的基因调控网络的首次突破。”

这项研究是由中国科学院分子植物科学卓越中心(CEMpS)的中国科学院- jic植物和微生物科学卓越中心(CEpAMS)的杰里米·默里博士团队的姜苏宇博士领导的合作团队进行的，中国科学院，上海，中国与LIpME的pascal Gamas博士和Marie-Fran?oise Jardinaud博士合作(Université de Toulouse, France)。

利用豆科植物苜蓿模型，研究小组观察了植物中的一个蛋白质家族，其中有几个成员在结瘤中发挥作用。他们观察了这类共生瘤中产生的蛋白质，发现有两个- NIN和NLp2，当它们不活跃时，固氮作用降低。这表明它们参与了固氮作用。

为了进一步研究，他们在无土壤的气培系统中种植植物，以便观察结核，发现缺乏NIN和NLp2的植物体积更小，结节更小，粉色更少。仔细观察发现，他们的血红蛋白水平较低。进一步实验发现，NIN和NLp2直接激活了leghem血红蛋白基因的表达。

Murray博士说:“这个研究项目纯粹是出于好奇，一开始我们只知道我们研究的转录因子在固氮细胞中高度特异地表达，我们最初并不知道它与腿血红蛋白有任何联系。”

这项研究也为这种重要的共生关系的进化提供了见解。他们发现，转录因子家族的其他成员调节植物中发现的非共栖血红蛋白的产生，这种血红蛋白参与了植物对低氧水平的反应。

杰里米进一步解释说:“这是令人兴奋的，因为它表明这些转录因子和它们的血红蛋白目标作为模块被招募到结瘤中，以帮助改善固氮细胞中的能量，这让我们难得地看到了这种共生关系是如何进化的。”

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