基因組團(tuán)跨界 打造植物固氮“超人”

7月16日，美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)學(xué)術(shù)資源網(wǎng)站報(bào)道了該校研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)基因工程方法，將既能進(jìn)行光合作用又能進(jìn)行固氮作用的藍(lán)細(xì)菌 (一種單細(xì)胞原核生物)中20多個(gè)固氮基因，轉(zhuǎn)移到另一種不能固氮但能進(jìn)行光合作用的藍(lán)細(xì)菌中，讓后者獲得了固氮能力。

“下一個(gè)目標(biāo)是讓植物固氮。”報(bào)道的副標(biāo)題這樣寫道。雖然植物的葉綠體被認(rèn)為來(lái)源于藍(lán)細(xì)菌，但這一發(fā)現(xiàn)距離讓植物擁有固氮能力，還有著尚難預(yù)測(cè)的諸多挑戰(zhàn)。

“這一工作還沒(méi)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(jìn)行生物固氮作用，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)陳三鳳教授團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)王憶平教授團(tuán)隊(duì)分別在前幾年已經(jīng)通過(guò)合成生物學(xué)等手段實(shí)現(xiàn)了讓大腸桿菌進(jìn)行生物固氮，而且使用的固氮相關(guān)基因數(shù)量更少。”中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授田長(zhǎng)富表示。

植物生來(lái)沒(méi)有固氮能力，氮營(yíng)養(yǎng)需要通過(guò)施用氮肥等方法從外界提供，否則就會(huì)矮小、細(xì)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(xué)家一直在嘗試用已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的固氮基因改造植物基因組，但目前還沒(méi)有獲得植物界固氮“超人”。

涉及多個(gè)基因，復(fù)雜度成倍增加

“自然界細(xì)菌和植物之間的基因轉(zhuǎn)移是可能發(fā)生的，但具有偶然性。而且與其他細(xì)胞功能互作越多的基因功能，其基因水平轉(zhuǎn)移的概率越低。通過(guò)遺傳工程手段有目的地構(gòu)建具有優(yōu)良品質(zhì)或抗性的轉(zhuǎn)基因作物是利用這一自然現(xiàn)象的典型例子。但是，已有的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物只需要轉(zhuǎn)移一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)基因。而生物固氮作用是一個(gè)多基因控制的復(fù)雜過(guò)程，需要固氮酶核心組分、金屬原子簇和電子傳遞系統(tǒng)。要將生物固氮功能轉(zhuǎn)入植物將面臨很大的挑戰(zhàn)：固氮酶對(duì)氧敏感，固氮過(guò)程需要消耗很多能量和還原力。”田長(zhǎng)富說(shuō)，將一群基因組團(tuán)轉(zhuǎn)入到植物中，面臨著多個(gè)基因能否在新環(huán)境下不打破原有“合作模式”，以及能否和植物中已有系統(tǒng)進(jìn)行有效整合等問(wèn)題。

“有一些研究取得了階段性進(jìn)展，例如利用分子檢測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在酵母和植物中表達(dá)了想要的個(gè)別或全部固氮酶組分，但它們并沒(méi)有表現(xiàn)出固氮能力。”田長(zhǎng)富說(shuō)，也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)入基因翻譯出的蛋白，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)固氮酶的活性。“可能是因?yàn)楹笃诘墓痰秆b配沒(méi)完成，也可能是固氮酶發(fā)揮作用的條件不滿足。”

“最近，王憶平教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，來(lái)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(tǒng)中負(fù)責(zé)電子傳遞的原始模塊，為固氮過(guò)程提供還原力。而國(guó)外的研究也證明，來(lái)自酵母線粒體和煙草葉綠體的金屬原子簇合成系統(tǒng)，能夠?yàn)楣痰^(guò)程提供金屬原子簇。”盡管想讓原核生物的固氮基因“潛入”植物基因組并發(fā)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(xì)菌的固氮基因轉(zhuǎn)入植物，讓植物自己固氮，我們還可以借鑒自然界已經(jīng)存在幾千萬(wàn)年的根瘤菌—豆科植物共生固氮現(xiàn)象。根瘤菌誘導(dǎo)豆科植物形成根瘤并在根瘤細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行固氮作用——豆科植物為根瘤菌提供能量和養(yǎng)分并控制根瘤細(xì)胞內(nèi)的氧濃度，保證根瘤菌的高效固氮過(guò)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(xué)氮肥。

“近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)希望將豆科植物與根瘤菌的共生能力轉(zhuǎn)移給小麥、水稻等禾本科植物，解決糧食施肥的問(wèn)題。”田長(zhǎng)富說(shuō)，雖然目前尚未看到根瘤菌誘導(dǎo)禾本科結(jié)瘤的報(bào)道，但是“用生化方法可以檢測(cè)到野生型或經(jīng)過(guò)遺傳修飾的非豆科植物對(duì)根瘤菌共生信號(hào)分子的部分響應(yīng)。”田長(zhǎng)富表示，目前還沒(méi)有達(dá)到根瘤菌對(duì)禾本科植物的有效胞內(nèi)侵染——這是實(shí)現(xiàn)非豆科植物共生固氮的瓶頸問(wèn)題。

控氧且供能，最后卻最難的“一公里”

“將基因轉(zhuǎn)入植物，并經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄翻譯出蛋白質(zhì)來(lái)并不難，難的是要有固氮酶的活性。”田長(zhǎng)富說(shuō)，對(duì)氧敏感是固氮酶的特有屬性。這也是為什么在圣路易斯華盛頓大學(xué)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(lán)細(xì)菌是通過(guò)高強(qiáng)度的呼吸作用消耗氧氣，為夜間的固氮過(guò)程創(chuàng)造條件。

細(xì)胞中的氧會(huì)“鉗制”住固氮酶，使其成為不發(fā)揮作用的蛋白。針對(duì)將和固氮相關(guān)的一組基因轉(zhuǎn)入植物后，只表達(dá)蛋白卻沒(méi)有固氮功能的現(xiàn)象，對(duì)豆科植物和根瘤菌共生機(jī)制的探秘或許能解答一二。

“太耗能！如果沒(méi)有穩(wěn)定的能量來(lái)源，根瘤菌也是維持不了多久的。”田長(zhǎng)富解釋。如此一來(lái)，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(zhǎng)富用“捕獲”一詞生動(dòng)地解釋豆科植物根部細(xì)胞對(duì)根瘤菌施加的影響。植物細(xì)胞將根瘤菌吞噬進(jìn)來(lái)，這些根瘤菌被來(lái)自細(xì)胞膜的膜結(jié)構(gòu)所包裹，形成一個(gè)個(gè)能夠固氮的“共生體”。

“在為植物固氮時(shí)，這些菌的狀態(tài)很像‘植物人’，完全喪失自我。本能生命活動(dòng)降低到最低，不分裂也不生長(zhǎng)。”田長(zhǎng)富說(shuō)，這種“植物人”狀態(tài)之所以能夠維持，是因?yàn)橹参锛?xì)胞和根瘤菌雙方精密的調(diào)控。

植物的“調(diào)控”包括兩個(gè)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(zhì)，能夠與氧氣結(jié)合，使得菌體生活在微氧環(huán)境下，既保持了固氮酶的活性還維持了菌體的生命。”田長(zhǎng)富說(shuō)，與此同時(shí)，植物細(xì)胞還通過(guò)大量的細(xì)胞通路將植物本身產(chǎn)生的能量傳遞給根瘤菌，而根瘤菌自身也要特異地調(diào)用或關(guān)閉相關(guān)通道來(lái)控制與植物之間的物質(zhì)交流，從而維持它持續(xù)不斷地“固氮”活動(dòng)。

豆科植物對(duì)根瘤菌的俘獲和雙方“拿捏有度”的調(diào)控機(jī)制，目前并未被完全揭開面紗。如何模仿出相關(guān)機(jī)制，完成巧奪天工的生物工程設(shè)計(jì)，必須要邁過(guò)這最后卻也是最難的“一公里”。

加強(qiáng)基礎(chǔ)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(chǎn)生核心酶固然重要，但酶是否擁有活性、能否完成氮元素由游離態(tài)到化合態(tài)的“固定”工作，細(xì)胞中的其他配套系統(tǒng)怎樣發(fā)揮作用也至關(guān)重要。“對(duì)于構(gòu)建能夠固氮的植物，通過(guò)優(yōu)化啟動(dòng)子、調(diào)控基因等幫助核心基因群(固氮基因)表達(dá)是一方面，探求輔助系統(tǒng)的工作細(xì)節(jié)也是研究的關(guān)鍵。”田長(zhǎng)富說(shuō)。為此，通過(guò)基礎(chǔ)研究探尋整個(gè)“固氮行動(dòng)”的參與基因和細(xì)胞通路等分子機(jī)制，最終發(fā)現(xiàn)固氮“觸發(fā)器”和“自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)”，是推動(dòng)應(yīng)用的關(guān)鍵。

“對(duì)于根瘤菌與植物的共生固氮體系，長(zhǎng)久以來(lái)，人們一直認(rèn)為包括結(jié)瘤和固氮基因在內(nèi)的關(guān)鍵共生基因的水平轉(zhuǎn)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(jié)瘤基因。隨著近年來(lái)研究的不斷深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)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(zhǎng)富說(shuō)，在禾本科等非豆科植物構(gòu)建根瘤菌共生固氮體系時(shí)也需要考慮類似問(wèn)題。

“多基因控制的生物固氮基因工程研究挑戰(zhàn)很大，還伴隨著基因組中其他功能的‘輔佐’。”田長(zhǎng)富總結(jié)道，固氮系統(tǒng)的整個(gè)藍(lán)圖仍未被破解——(結(jié)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(jī)制，核心固氮功能與植物基因組功能的適配性，核心結(jié)瘤功能與非豆科植物的適配性等科學(xué)問(wèn)題亟待重點(diǎn)研究。當(dāng)基礎(chǔ)研究有所突破后，才能更有效地推動(dòng)“生物固氮”的應(yīng)用。