New Phytologist | 华中农业大学端木德强课题组揭示固氮根瘤中血红素分解代谢的新机制

近日，华中农业大学端木德强团队在《New Phytologist》在线发表了题为“Heme catabolism mediated by heme oxygenase in uninfected interstitial cells enables efficient symbiotic nitrogen fixation in Lotus japonicus nodules”的研究论文。该研究揭示了豆科植物根瘤中非侵染细胞定位的血红素加氧酶1（LjHO1）分解代谢根瘤血红素的新机制。

研究背景：

豆科植物能够与根瘤菌建立共生关系，形成具有固氮能力的根瘤。根瘤高效固氮依赖于豆血红蛋白及其辅基血红素创造的低氧环境。因此，根瘤细胞需要合成大量的血红素才能满足豆血红蛋白和其他血红素结合蛋白的需求。但是当根瘤成熟以后，尤其是进入衰老期，由豆血红蛋白降解释放出来的血红素具有细胞毒性，能够刺激细胞产生活性氧，因此细胞内游离血红素的浓度必须受到精确控制。然而豆科植物根瘤中血红素的降解机制还不清楚。

研究结果：

本研究以模式豆科植物为研究对象，通过UPLC-MS/MS测定了硝酸钾、黑暗处理以及自然衰老的形成绿色根瘤中的血红素含量，与成熟期的红色根瘤相比，这三种类型的绿色根瘤中血红素含量明显下降，但是作为血红素下游产物的胆绿素(biliverdin, BV)含量在绿色根瘤中增加了9-88倍，表明绿色根瘤的形成与血红素降解和BV积累有关（图1）。在高等植物光合组织中，血红素加氧酶（HO）介导了血红素的分解代谢。通过系统进化树鉴定到了百脉根的两个血红素加氧酶基因，并将其命名为LjHO1和LjHO2。通过酶活性分析进一步确定百脉根中的LjHO1具有将血红素氧化分解为BV的活性。

通过qRT-PCR和免疫印迹技术检测了LjHOs在百脉根根瘤不同发育时期的转录和表达模式，发现LjHO1的表达在成熟和衰老的根瘤中明显上调，并在衰老期达到最高。组织定位染色发现LjHO1的表达只局限在根瘤的非侵染细胞之中。通过亚细胞定位确定其蛋白产物位于根瘤细胞的质体中，因此LjHO1在根瘤的非侵染细胞质体中发挥其降解血红素的作用（图2）。

本研究进一步构建了ho1突变体，HO1的缺失导致植物茎鲜重和根瘤固氮酶活的降低、红色根瘤减少以及棕色根瘤的形成。UPLC定量分析表明，在衰老时的野生型绿色根瘤中血红素含量比该时期的红色根瘤降低约86%，然而ho1突变体棕色和红色根瘤之间的血红素含量没有明显差异，这些数据表明LjHO1是成熟根瘤中高效固氮所必需的，基因的缺失会导致衰老阶段血红素积累和棕色根瘤的形成。进一步对血红素降解产物胆绿素进行量化发现，与野生型绿色根瘤相比，ho1的棕色根瘤中胆绿素含量下降了约92%，通过异源表达BV的结合蛋白（iBlueberry）检测发现，BV在野生型根瘤的非侵染细胞质体中合成，LjHO1基因的突变使根瘤合成BV的能力丧失（图3）。

进一步通过胁迫处理实验发现，硝酸钾和黑暗处理均能促进ho1突变体产生棕色根瘤。活性氧染色表明，ho1根瘤中积累了大量的活性氧，这可能是由于ho1根瘤中游离血红素含量较高导致的。在硝酸盐和黑暗胁迫下的根瘤中也观察到同样的活性氧积累的趋势。这些结果表明硝酸盐和黑暗胁迫加速了根瘤中豆血红蛋白降解和血红素的释放，LjHO1通过降解游离血红素为根瘤提供抗氧化防御。

综上所述，在成熟根瘤、自然衰老以及胁迫诱导的衰老根瘤中，血红素从豆血红蛋白中释放并运输到非侵染细胞的质体中，随后被质体定位的LjHO1降解，同时释放BV、亚铁离子(Fe2+)和一氧化碳(CO)（图4）。该研究阐明了百脉根根瘤中血红素分解代谢途径并揭示了LjHO1在非侵染细胞中参与根瘤抗氧化防御的新机制，研究结果为提高豆科植物固氮效率和抗逆性提供了依据。

华中农业大学已毕业博士生周宇为本文的第一作者，华中农业大学生命科学技术学院、农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室端木德强教授为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金的支持。

原文链接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.19074

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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