PNAS | 北京大学王忆平团队在改造植物生物固氮能力方面取得重要进展！

以下文章来源于Ad植物微生物 ，作者杨建国

氮的供应是植物生长的关键因素。在过去的一个世纪里，农业产量的提高，尤其是谷类作物产量的提高，主要依赖于工业氮肥的使用，这为世界上大约一半人口的粮食供应做出了贡献。然而，过度使用氮肥会造成严重的经济和环境后果。将大气中丰富的二氮气体转化为可生物利用的氨气的过程在多种原核固氮生物中自然发生。这一过程被称为生物固氮，依赖于对氧气敏感的固氮酶。研究最广泛的钼氮酶是一种复杂的金属蛋白，由 Fe 蛋白和 MoFe 蛋白两部分组成。Fe 蛋白是由 nifH 基因编码的同源二聚体，除了作为 MoFe 蛋白的必需电子供体外，还在固氮酶成熟和辅助因子生物合成过程中发挥多种作用。改造谷物的生物固氮能力将带来巨大的环境和社会经济效益，因为这一过程为施用化肥提供了更可持续的替代方法。线粒体的生理环境和分区结构为包括固氮作用在内的代谢途径重组提供了一个独特的场所。

2023年8月16日，国家权威学术期刊PNAS发表了北京大学王忆平和英国约翰英纳斯研究所Ray Dixon团队的最新相关研究成果，题为Organelle-dependent polyprotein designs enable stoichiometric expression of nitrogen fixation components targeted to mitochondria的研究论文。北京大学现代农学院杨建国为论文的第一作者和共同通讯作者。在这个研究中，科研人员重新设计了一个多蛋白系统，该系统由线粒体固有加工肽酶裂解的人工合成肽连接，能够在酵母线粒体中稳定表达固氮酶生物合成所需的蛋白成分。除了合成固氮之外，科研人员还证明了这种多肽方法通过在线粒体这一细胞器中对violacein和异丁醇途径进行功能性重组，扩大了利用线粒体作为生物技术平台的潜力。

将固氮（nif）基因导入真核生物基因组，并将 Nif 成分靶向到线粒体或叶绿体中，是改造固氮植物的一种很有前途的策略。在农作物中实现固氮的一个先决条件是各组分在细胞器中稳定和按比例表达。此前，科研人员设计了一种基于多聚蛋白的固氮酶系统，该系统依赖于烟草蚀纹病毒蛋白酶（TEVp），可从五种多聚蛋白中释放出功能性 Nif 成分。虽然该系统满足了大肠杆菌中 Nif 成分特定表达比例的要求，但科研人员遇到了 TEVp 分解酵母线粒体多聚蛋白的问题。为了克服这一障碍，科研人员构建了一个版本的 Nif 多蛋白系统，将 TEVp 的裂解位点替换为确定的最小肽序列，这些序列易于被内源性线粒体处理肽酶裂解。这种替换不仅进一步减少了所需基因的数量，而且还防止了目标细胞器外多蛋白的潜在预清除。这一版本的基于多蛋白的固氮酶系统在大肠杆菌中达到了与基于 TEVp 的多蛋白固氮酶系统相当的固氮酶活性水平。当应用于酵母线粒体时，实现了 Nif 成分的稳定和平衡表达。这种策略具有潜在的优势，不仅可以将固氮作用转移到真核细胞，还可以用于其他需要线粒体区室化的代谢途径的工程设计。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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