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人才强校 | 中国农大陈三凤教授团队在生物固氮研究领域取得新进展

2022年12月05日 浏览次数:

中国农大新闻网讯 12月2日,《美国科学院院报》(PNAS)在线发表了中国农业大学生物学院陈三凤教授团队的研究论文《丙氨酸脱氢酶合成的丙氨酸能使类芽孢杆菌T27在高铵条件下固氮》(Alanine synthesized by alanine dehydrogenase enables ammonium-tolerant nitrogen fixation in Paenibacillus sabinae T27)。该论文揭示了通过丙氨酸脱氢酶合成的丙氨酸抑制谷氨酰胺合成酶活性,降低细胞内谷氨酰胺水平,进而调控固氮基因表达的新机制。

绝大多数固氮菌只在低铵(0-2 mM)下固氮,但该论文发现固氮类芽孢杆菌(Paenibacillus sabinae)T27 除在低铵条件下固氮外,在高铵(30-300 mM) 条件下也能固氮;并揭示了高铵固氮是氮代谢和生物固氮协同作用的结果,即:ald1基因编码的丙氨酸脱氢酶(alanine dehydrogenase,ADH1)在高铵条件下催化铵和丙酮酸合成丙氨酸,而丙氨酸抑制谷氨酰胺合成酶(GS)的活性,则谷氨酰胺(Gln)浓度降低。低浓度Gln无法与GS相互作用而形成反馈抑制型FBI-GS,与低铵(0-2 mM)条件类似,转录因子GlnR只与固氮基因上游启动子中的GlnR-binding site Ⅰ 结合而激活固氮基因的表达;但在铵浓度充足(4-30 mM)条件下,FBI-GS促进GlnR与GlnR-binding site Ⅱ 结合而抑制固氮基因表达。研究结果为解决“生物固氮效率受高浓度铵抑制”的难题,提供了新思路和新方法。

图1. Paenibacillus sabinaeT27在不同铵浓度(0-400 mM)的固氮酶活性

图2. ald1基因(编码丙氨酸脱氢酶)突变后导致在高铵(100 mM)条件下的固氮酶活性的丧失(A)和固氮基因(nifH)转录水平大幅度降低(B)。添加丙氨酸(Ala)能恢复ald1突变株的固氮酶活性,但丙酮酸(pyruvate)和其他氨基酸(Asp、Glu、Gly、Val、Ser)不能恢复固氮酶活性(C)

图3. P. sabinae T27固氮基因在不同铵浓度下的表达调控机制

陈三凤教授为该研究论文的通讯作者,英国JIC研究中心Ray Dixon教授为共同通讯作者,中国农业大学博士后李琴为第一作者。该研究得到了国家重点研发计划(No. 2019YFA0904700)项目的支持。

论文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2215855119

供稿:生物学院

供图:生物学院

编辑:马文哲

责编:于哲


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