生物固氮作用的分子機(jī)理研究-wenkub
2023-04-22 03:48:21 本頁(yè)面
【正文】 上，一個(gè)研究如何提高生物固氮效率；一個(gè)是研究建立共生或自主固氮體系的基本條件。在生物固氮研究領(lǐng)域造就一支高水平的研究隊(duì)伍，培養(yǎng)博士研究生60名以上。4） 開(kāi)展聯(lián)合固氮微生物比較基因組、生物固氮體系的進(jìn)化、不同條件下聯(lián)合固氮微生物基因表達(dá)譜的研究，揭示生物固氮進(jìn)化途徑的形成和機(jī)制，分析鑒定可能參與細(xì)菌氮信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)或保持最佳固氮水平的新基因；系統(tǒng)研究聯(lián)合固氮體系形成的分子機(jī)理，建立穩(wěn)定的聯(lián)合固氮體系，為提高作物與固氮微生物之間的固氮效率提出新策略；5） 分析Pcluster和FeMoco之間α螺旋上單個(gè)氨基酸替換后固氮酶結(jié)構(gòu)的變化和可能對(duì)電子質(zhì)子傳遞的影響，對(duì)固氮酶MoFe蛋白α亞單位中FeMo輔因子周圍多肽環(huán)境中保守氨基酸定位誘變并構(gòu)建不同的突變株，明確FeMoco的Fe2和Fe6是否是氮的絡(luò)合和還原位置，及用于氮和質(zhì)子還原的電子質(zhì)子傳遞通道。為擴(kuò)大根瘤菌宿主植物范圍、提高生物固氮效率，探索非豆科植物共生體系及自主固氮的可能性提供科學(xué)依據(jù)，為生物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，緩解和減輕農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)期和大量依賴工業(yè)氮肥施用所造成的能源和環(huán)境問(wèn)題，為保障我國(guó)糧食生產(chǎn)安全，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供新的途徑。分析鑒定可能參與細(xì)菌氮信號(hào)傳導(dǎo)、調(diào)控或保持最佳固氮水平的新基因和新機(jī)制，系統(tǒng)研究聯(lián)合固氮體系形成的分子機(jī)理和聯(lián)合固氮微生物對(duì)土壤環(huán)境變化的適應(yīng)能力, 探討提高作物與固氮微生物之間的聯(lián)合固氮效率的策略。以上研究是固氮基因向真核生物轉(zhuǎn)移的新的嘗試，為非豆科植物（包括糧食作物）建立自主的生物固氮體系探索新路。（2）碳代謝與氮代謝是自然界生命活動(dòng)的兩大主要代謝作用。項(xiàng)目名稱：生物固氮作用的分子機(jī)理研究首席科學(xué)家：王憶平 北京大學(xué)起止年限：2010年1月2014年8月依托部門：教育部 一、研究?jī)?nèi)容生物固氮研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是獲得最佳生物固氮體系（包括共生固氮、聯(lián)合（內(nèi)生）固氮等）和建立非豆科植物的自主固氮體系，具體包括：（1）闡明根瘤菌共生固氮基因表達(dá)調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)，根瘤菌識(shí)別、傳遞環(huán)境和植物信號(hào)，調(diào)節(jié)自身基因表達(dá)的分子機(jī)理；（2）揭示固氮及氮代謝基因調(diào)控機(jī)理，與碳代謝系統(tǒng)及其基因的調(diào)控偶聯(lián)機(jī)制；（3）闡明共生固氮體系中植物與微生物相互作用的機(jī)理，如植物與微生物相互識(shí)別及分子信號(hào)的傳導(dǎo)機(jī)制，克服宿主特異性，從而擴(kuò)大根瘤菌的宿主范圍；（4）利用單細(xì)胞真核生物酵母菌的線粒體遺傳操作系統(tǒng)，探索固氮基因簇向真核生物轉(zhuǎn)化和表達(dá)的機(jī)制，為固氮基因向高等植物轉(zhuǎn)移，建立非豆科植物自主固氮體系的奠定基礎(chǔ)。固氮基因調(diào)控機(jī)理，以及碳代謝和氮代謝之間的調(diào)控偶聯(lián)途徑已經(jīng)得到了解析，但碳代謝對(duì)固氮基因的表達(dá)的抑制機(jī)理與途徑有較大不同。（3） 聯(lián)合固氮作用有三個(gè)重要的限制因子，即氧、銨和能量。（4）在固氮酶還原氮?dú)夂唾|(zhì)子的分子機(jī)制方面，利用生物信息學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)理論，分析研究野生型及各突變株固氮酶還原N2和H+的動(dòng)力學(xué)、EPR、CD波譜等特征。五年目標(biāo)：1）建立根瘤菌與宿主植物共生關(guān)系中蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)，分離和鑒定參與根瘤形成和發(fā)育功能基因及其調(diào)控蛋白，闡明根瘤菌共生信號(hào)在豆科植物中接受、傳遞及其調(diào)控的機(jī)制；建立豆科植物突變體庫(kù)，分離和鑒定與共生固氮相關(guān)的突變株；比較豆科植物與根瘤菌或AM真菌共生基因的異同，并比較非豆科植物基因組，闡明非豆科植物中存在哪些與共生固氮相關(guān)的基因及其功能、表達(dá)與調(diào)控機(jī)制。 三、研究方案1）學(xué)術(shù)思路： 我們的學(xué)術(shù)思路和技術(shù)途經(jīng)是圍繞著生物固氮菌氮碳代謝基因表達(dá)調(diào)控偶聯(lián)機(jī)理、豆科植物與根瘤菌相互作用機(jī)理、根瘤菌固氮系統(tǒng)調(diào)控機(jī)理和固氮菌固氮基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控與固氮酶催化機(jī)制等核心課題，依據(jù)多學(xué)科（生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)）交叉的研究?jī)?yōu)勢(shì)，獲得創(chuàng)新成果，促進(jìn)生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。這兩條主線都為最終提高農(nóng)作物產(chǎn)量服務(wù)。這也是本建議項(xiàng)目的特色和創(chuàng)新點(diǎn)之一； 4）建立酵母菌單細(xì)胞真核生物及其線粒體遺傳操作系統(tǒng)，探索固氮基因簇向真核生物轉(zhuǎn)化的可能和表達(dá)機(jī)制，是固氮基因向真核生物轉(zhuǎn)移的新的嘗試，為非豆科植物（包括糧食作物）建立自主的生物固氮體系探索新路。本研究方案將我國(guó)的生物固氮資源與生物固氮基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使近期和中長(zhǎng)期目標(biāo)更加明確、技術(shù)路線更加清晰，具有可行性和創(chuàng)新性。 多年來(lái)，我國(guó)生物固氮研究與英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、荷蘭、比利時(shí)、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家有良好的合作基礎(chǔ)，其中包括政府間科技合作議定書的重點(diǎn)項(xiàng)目，如“中法先進(jìn)研究計(jì)劃”、“中德科技合作項(xiàng)目”、“歐盟合作計(jì)劃項(xiàng)目”、美國(guó)洛氏基金“水稻結(jié)瘤固氮國(guó)際合作項(xiàng)目”、國(guó)際人類前沿科學(xué)基金（HFSPO）：“細(xì)菌中氮同化作用的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究”等。研究豆科植物的長(zhǎng)/短距離信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑之間的關(guān)系，闡明根瘤形態(tài)發(fā)生以及根瘤屬性的分子機(jī)制，為提高共生固氮效率和作物產(chǎn)量、以及在非豆科植物建立共生或自主固氮體系奠定細(xì)胞生物學(xué)和形態(tài)發(fā)育的分子基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)根瘤菌與多種豆科宿主植物（苜蓿和百脈根等）互作過(guò)程的研究，揭示結(jié)瘤因子在宿主植物中的信號(hào)傳導(dǎo)途徑和植物水解酶誘導(dǎo)的結(jié)瘤因子失活機(jī)理。此外，應(yīng)用Cre重組酶LoxP技術(shù)，驗(yàn)證Ⅲ型效應(yīng)子Cre融合蛋白是否從根瘤菌轉(zhuǎn)移到豆科植物。通過(guò)基因突變方案（獲得基因功能的方法）鑒定百脈根中不需要胞外寡聚糖也可以建立根瘤菌NGR234與豆科植物的固氮結(jié)瘤的突變體。探討根瘤及側(cè)根發(fā)育的分子途徑異同；COCH對(duì)根瘤屬性（有限和無(wú)限型）決定的分子機(jī)理。進(jìn)一步闡明根瘤菌共生信號(hào)在豆科植物中接受、傳遞及其調(diào)控機(jī)制。課題承擔(dān)單位：中山大學(xué)、中科院上海植物生理生態(tài)研究所課題負(fù)責(zé)人： Staehelin C. 46 博士 教授 中山大學(xué)主要學(xué)術(shù)骨干：程 奇 43 博士 教授 中山大學(xué)謝致平 44 博士 副教授 中山大學(xué)羅 達(dá) 52 博士 教授 中科院上海植物生理生態(tài)所王彥章 30 博士 副研究員 中科院上海植物生理生態(tài)所羅 利 30 博士 副研究員 中科院上海植物生理生態(tài)所陳愛(ài)民 40 碩士 副研究員 中科院上海植物生理生態(tài)所經(jīng)費(fèi)比例： % 2 根瘤菌
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