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Science:固氮(The nitrogen fix)

已有 3083 次阅读 2020-3-16 20:42 |个人分类:读文献|系统分类:科研笔记

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固氮

The nitrogen fix

Science

Impact Factor 41.037

DOI:https://doi.org/10.1126/science.353.6305.1225

发表日期:2016-09-16

新闻作者:Erik Stokstad

写在前面

分享标题:Science:固氮

关键字:固氮菌,线粒体,叶绿体,Haber-Bosch,Nifh,根瘤菌

点评:本文首先描述了氮素对于植物生长尤其是人类食用的谷物的重要性,即氮是重要生物分子(包括氨基酸,蛋白质的组成部分)中的关键成分,在贫瘠的土壤中,即使是少量增加谷物可利用的氮量,也能将产量提高几倍。然后提到了氮肥施用的两大困扰,1.利用效率低下,过度施用,其能引起种种问题,比如:多余的氮素会污染饮用水、影响气候、消耗化石燃料;2.对于贫瘠土壤的非洲小农户来说,化肥既稀缺又昂贵。最后提出两大解决方案,1.将固氮酶(基因)加入到谷物中,2.让谷物成为固氮细菌的宿主,使其建立共生关系。文中详细分析了其可行性及解决办法,尽管有所收获,然而仍困难重重,但未来可期,至少科学家是充满信心的,毕竟正如华盛顿盖茨基金会农业发展项目官员凯瑟琳·卡恩(Katherine Kahn)所说,这就是我们愿意投资于高风险科学的原因,潜在的回报是如此之高。

在植物生物技术方面,很少有项目比让作物自己制造所需的氮肥更困难,或者有希望获得更大的回报。

Few projects in plant biotechnology are harder, or promise a greater payoff, than enabling crops to make their own nitrogen fertilizer.

图 1 非洲很普遍的贫瘠土壤中

Just a touch of nitrogen hikes yields in depleted soil, common in Africa. But fertilizer is scarce and costly for small farmers.

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在非洲很普遍的贫瘠土壤中,仅需一点氮肥就可以大幅提高产量。但是,对于小农户来说,化肥既稀缺又昂贵。

植物已经执行了一项维持生命的生物化学壮举,通过光合作用将二氧化碳和水转化为糖。也许要求再多一点太过分了。但一些生物学家仍希望赋予主要农作物一种能力,使它们能够将空气中的氮固定成一种可用的生物化学形式,但这种能力目前仅限于某些微生物,对其生命至关重要。固定的氮是重要生物分子(包括氨基酸,蛋白质的组成部分)中的关键成分。而且,目前,农民必须通过施用肥料或种植豆类(这些植物的根部含有固氮细菌)来费力地供应它。

如果小麦、水稻、玉米和其他谷物能自己制造氮肥,它们可能有助于解决两大问题。他们可以减少人们对人造肥料的过度使用,人造肥料在许多地方会从土壤中浸出,并污染含水层或地表水。而且它们可以弥补困扰发展中国家,特别是撒哈拉以南非洲地区贫穷农民的化肥短缺问题。英国牛津大学植物微生物学家菲利普·普尔说:“这对人类来说是一个巨大的挑战。”

大约半个世纪前,英国萨塞克斯大学的微生物学家雷·迪克森(Ray Dixon)设法改造了大肠杆菌(Escherichia coli)来固定氮,激发了一代科学家尝试在农作物中实现这一壮举。但是由于植物复杂的基因,改造植物的工具,难住了微生物学家。一直在英国诺里奇的约翰·英内斯中心(JIC)从事固氮工作的Dixon说:“我们认为实现这一目标还为时过早。”

现在,新一代的研究人员已经接受了这一挑战。一个研究团队的目标是通过植入关键酶——固氮酶的基因,把谷物变成肥料工厂。另一研究团队希望对谷物进行工程改造,以便使它们可以模拟在豆类和其他豆类中发现的与固氮细菌的这种共生关系。尽管发表的论文很少,但这项研究已获得比尔和梅琳达·盖茨基金会和政府资源的大量资助。弗吉尼亚州阿灵顿国家科学基金会(National Science Foundation)生物科学副助理主任简•西尔弗索恩(Jane Silverthorne)预测,在未来一年左右的时间里,你会看到植物固氮能力方面的一些惊人突破。

许多技术障碍依然存在。荷兰瓦赫宁根大学和研究中心的Ken Giller(不参与植物工程的农学家)说,这是一个长期的尝试,而且还需要很长的时间。即使这项工作取得了技术上的成功,这些作物也可能很难得到公众的认可,因为它们将是经过基因改造的。专注于固氮细菌本身,调整它们以释放更多的肥料,可能会带来更快的回报。尽管如此,Giller和其他观察家说,自肥谷物的潜力是如此之大,以至于在工程上的投资是值得一赌的。他说,如果您从不尝试,则永远不会知道是否有可能。

农民在收获谷物或其他植物时,就会从土壤中带走氮;随着时间的推移,土壤变得贫瘠,产量下降。通常,他们通过添加肥料或堆肥或种植豆类来替代缺失的氮。在19世纪,科学家们发现,使用新的氮源(鸟粪或硝酸盐矿物质)可以大大提高谷物的产量,这两种矿物质都在南美开采。这些矿藏变得如此珍贵,以至于智利和秘鲁甚至在19世纪80年代为此打了一场战争。

Haber-Bosch过程改变了这一切。它被发明于1909年,使用热、压力和铁催化剂来打破氮气分子之间的三键,产生氨,并被转化为氮肥。因此,小麦、玉米、大米和其他谷物的产量暴涨。从20世纪60年代开始,合成氮肥成为拉丁美洲和亚洲绿色革命的关键因素,避免了重大的饥荒。每年大约可生产4.5亿吨氮肥;Haber-Bosch过程产生的氮肥现在占所有生物可利用氮的三分之一。

然而,在发达国家,平均只有一半的氮肥被植物所用。这不仅利用效率低;多余的氮素会污染饮用水并导致有害的藻华。此外还有气候影响,土壤微生物分解未使用的肥料时释放的强效温室气体,以及运营肥料工厂需要能源,这消耗了所有化石燃料的1%到2%。

非洲大部分地区土地面临的问题是氮含量太少,而不是太多。土壤是古老的,它们的氮素很快就会被耗尽。Giller说,豆类又将其添加回来,但用豆类作物轮作不足以支持足够的谷物产量,谷物是氮素需求量最大的作物。他对这项挑战很熟悉:他管理着一个由盖茨基金会N2Africa资助的近5000万美元的项目,目的是改善豆科植物的固氮能力。毫无疑问,技术含量很低,不过它已经为几十万农民提供了种子、少量肥料和成包的固氮细菌。

图 2 豆类植物的根瘤中寄宿有固氮细菌,这一特性可能被设计进谷物中

Legumes host nitrogen-fixing bacteria in root nodules, a trait that might be engineered into cereals

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盖茨基金会还通过向两个项目提供大笔赠款来支持固氮的高科技方法。一个由马德里技术大学的生物化学家路易斯·卢比奥(Luis Rubio)领导,另一个由JIC的遗传学家贾尔斯·奥尔德罗伊德(Giles Oldroyd)领导。其这样做的动机是:在贫瘠的土壤中,即使是少量增加谷物可利用的氮量,也能将产量提高几倍。华盛顿盖茨基金会农业发展项目官员凯瑟琳·卡恩(Katherine Kahn)说,这就是我们愿意投资于高风险科学的原因,潜在的回报是如此之高。

阻碍也一样高。鲁比奥(Rubio)将固氮酶加入到植物中的项目之所以令人生畏,有两个原因。首先,该酶具有复杂的结构,在几种蛋白质的辅助下其装配是已知的最复杂的酶之一。与在细菌之间交换基因相比,将所有的基因转移到植物中并使它们的相对表达水平正确并不是一件简单的事情。在具有自身基因组的细胞器(例如叶绿体)中,完成此任务可能会稍微容易一些。第二,就像组成它的大多数蛋白质一样,这种酶会被氧降解,并且植物细胞的叶绿体尤其会因为光合作用而充满氧气。

一种可能的解决方案是设计酶,使其仅在黑暗中才有活性。当植物停止光合作用时,它们体内的氧气含量会在夜间下降。另一种是将用于固氮酶的基因插入线粒体的基因组中,线粒体是形成细胞燃料三磷酸腺苷(ATP)的水稻形细胞器。制造ATP需要消耗氧气,所以线粒体在某些地方是相对无氧的。

这就是Rubio的团队所采取的方法。他们用酵母菌做工作,部分原因是因为它们的遗传学比植物简单,他们将一种称之为nifH的基因编码的固氮酶的一个主要部分与三个有助于将其组合在一起的蛋白质的基因一起改造到了线粒体中。最近的概念验证实验的结果令人鼓舞。在4月份的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上,Rubio的团队展示了NifH亚基在酵母线粒体内的功能。由密苏里州切斯特菲尔德的孟山都的纳塔利娅·伊夫列瓦(Natalia Ivleva)领导的另一个小组上个月在PLOS ONE杂志上报告说,他们在烟草植物的叶绿体中添加了nifH,尽管他们发现其活性要低得多。

Rubio说,在酵母或植物中添加另一部分的固氮酶会比较困难。这种成分被称为NifDK,需要许多辅助蛋白。他对把碎片拼起来持乐观态度,但并没有屏息以待。他说,几年后,我们可能会有一个途径。如果我们能够获得初步的工作途径,那么我们将不得不提高其性能。

这项任务不会随着让固氮酶在植物细胞内工作而结束。研究人员必须确保快速穿过酶的电子不会引起细胞代谢的其他方面失控。另一个重要的任务是使氮从线粒体中出来进入叶绿体和其他合成蛋白质的地方。调节氮素水平也是一个挑战,因为过量的铵根(当另一个质子与氨结合时产生的最终产物)会导致根系发育不良,叶子发黄,产量下降

当Rubio尝试让农作物直接合成氮时,Oldroyd和其他人希望使谷物作物更像豆类。豆类、豌豆和其它豆科植物允许固氮的根瘤菌侵入它们的根部,这些细菌释放氨来交换宿主制造的碳水化合物。共生始于植物根与土壤微生物之间的信号交换。这种化学上的握手建立了一种友好的关系,这种关系一直持续到根部形成根瘤以容纳微生物。

许多科学家的努力已经揭示了信号通路的化学和遗传基础。这一途径的核心已经存在于谷物和大多数其他植物中。这可能可以追溯到4亿年前,直到植物首次定殖在土地上,并在根部和土壤真菌之间建立了联系,其有助于为植物提供水,磷酸盐和其他养分,以换取碳水化合物。利用这一途径使谷物成为固氮细菌的宿主,似乎直到最近才被研究人员所掌握。英国剑桥大学植物生物学家Ottoline Leyser(没有参与这个项目)说,虽然这听起来像是一项令人震惊的壮举,但并不像听起来那样糟糕,因为你不是从零开始。

第一步是让谷类植物与固氮细菌交换信号(见下图)。尽管盖茨基金会关注的是固氮玉米,但Oldroyd的团队仍专注于更易于改造的大麦作物。Oldroyd说,这个小组已经在测试那些能够探测根瘤菌信号的植物。他们尚未发布结果。他说,当您设计谷物时,您会学会忍耐。

图 3 自肥植物的两条途径

Two routes to self-fertilizing plants

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一种方法是通过修饰真菌与植物之间古老的共生关系,让谷物成为固氮细菌的宿主(左下)。另一种是赋予谷物固氮酶(右下)。

建立新的伙伴关系(左下)

为了使诸如玉米和小麦之类的谷物能够与固氮细菌交流并获取它们所提供的营养,需要进行一些关键的修饰。

1信号: 识别出友好细菌后,植物便准备好成为宿主。

2侵染: 根部拉长某些根毛,为细菌进入提供了通道。

3结瘤:根的一部分扩大成细菌的居所。

4甜蜜之家:植物必须为细菌提供能量并清除氧气。

添加酶(右下)

固氮酶需要大量的能量和低氧环境。这使得线粒体成为放置酶的好地方。

第二步,也是更难的一步,是说服谷物让自己被细菌入侵。豆科植物把它们的细菌吸引到被称为感染线的结构中,但这个过程是神秘的。研究人员希望改变允许共生真菌侵入根的现有机制。

然后,需要对植物进行调整,以形成根瘤,并使它们的细菌客人舒服和多产。像豆类一样,宿主谷物必须输送碳水化合物和豆血红蛋白(一种与氧结合的分子,以防止其干扰固氮酶)。Oldroyd说:“我们知道如何去做,但是我不知道它将有多困难。”像Rubio一样,他希望这项工作的初期阶段会产生少量的氨,然后可以将其提高。

与此同时,一些研究人员不仅关注植物,还关注土壤细菌,这可能对作物产生一系列积极影响(Science, 14 August 2015, p. 680)。许多公司已经出售了固氮细菌,将其添加到土壤中可以促进大豆和其他豆类的生长。微生物也被用在谷物上,可以通过分泌生长激素而不是固氮来提高10%到20%的产量

微生物学家Nicolás Ayub是为谷物培育固氮细菌的几位研究人员之一。2013年,他和位于布宜诺斯艾利斯的国家农业技术研究所(National Institute of Agricultural Technology)遗传学研究所(Institute of Genetics)以及其他地方的同事们提取了一段含有52个与固氮酶相关基因的细菌DNA,并将其放入细菌中,这些细菌可以附着在农作物的根部,但不能固定氮。这种被称为Pseudomonas protegens Pf-5 X940的被修饰的细菌固定了氮,能够固氮并以比其他固氮细菌高1000倍的速率将其释放到根部。现在,研究小组已经在温室试验中证明,用微生物处理过的玉米和小麦,与用氮肥处理过的玉米和小麦生长得同样好,正如他们在6月27日的Environmental Microbiology中报道的那样。

Ayub和他的同事最近开始了田间试验。Ayub 说,这种细菌只有生长在根上时才能存活,它们不会进入植物或其食用产品,这是生物安全认证的重要依据。他补充说:“用微生物处理农田的成本仅为施用氮肥的1%。这种重组接种剂在市场上的易获得性可以显著提高农民的利润。”

Rubio,Oldroyd和其他一些人希望他们的努力能够带来一个更加光明的未来,在这个未来,农民们将把他们的作物及其肥料种植在一个单一的、精心设计的包装里。Giller说:“这是一个很吸引人的想法。在每一天结束时,你都迫不及待地想让它发生。”

Reference

Erik Stokstad. THE NITROGEN FIX.Science 353 (6305), 1225-1227.  doi:10.1126/science.353.6305.1225

Nature综述:微生物构成的氮循环网络

Nature子刊:到底谁才是限制非共生固氮的幕后主使

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