北大生科院王忆平课题组在生物固氮研究领域再次取得突破性进展

存在于原核微生物中的固氮酶体系极其复杂，必要一系列，每每十几甚至几十个基因参与调控及其和谐表达才能实现其功能。同时，生物固氮过程是一个高能耗的过程，必要消费大量的ATP和还原力。这些因素都是将固氮酶体系导入植物细胞，实现植物自立固氮所必要面临息争决的难题。

王忆平课题组长期致力于生物固氮的研究。在前期研究中，王忆平课题组将合成生物学方法和理念应用到生物固氮研究中，并已经取得了突破性进展。如，他们成功的以模式微生物大肠杆菌为底盘（Chassis），在大肠杆菌中重构了产酸克雷伯菌（Klebsiella oxytoca）的钼铁固氮酶体系（Wang et al. 2013, PLoS ONE）、棕色固氮菌（Azotobacter vinelandii）的铁铁固氮酶体系，并且证实在不损失固氮酶活的前提下，重组的铁铁固氮酶体系最少只必要10个基因即可在大肠杆菌中固氮（Yang et al. 2014, PNAS）。这两个重构固氮酶体系的建立，为生物固氮研究提供了便捷的遗传操作平台，极大的推进了生物固氮的研究。

鉴于植物不同细胞器每每起源于微生物，国际上普遍认为比较适合将固氮酶体系导入的植物靶细胞器包括叶绿体、白体及线粒体等。因此开展不同固氮酶系统与这些潜在宿主靶细胞器中原有功能元件（Functional Component）之间的适配性研究，是最终实现植物自立固氮的紧张步骤。

在本研究中，王忆平课题组首先通过引入了体系生物学以及合成生物学模块化（Modularity）理念，将以上重构的钼铁及铁铁两个固氮酶体系分别划分为三个功能性模块：电子传递链模块（Electron Transport Chain Module）、金属原子簇模块（Metal Cluster Biosynthesis Module）及固氮酶核心模块（“Core” Enzyme Module）。继而运用合成生物手段，在大肠杆菌中重构了植物靶细胞器的电子传递链模块。电子传递链模块替代实验效果注解，来源于植物叶绿体和白体的电子传递链模块能够分别有用的替换钼铁及铁铁固氮酶体系中负责电子传递的原始模块，为这两个固氮酶体系提供底物还原所需的还原力；而来源于植物线粒体的电子传递模块不能为以上两个固氮酶体系提供底物还原所需还原力；进一步研究注解，这一题目可以通过将线粒体来源的电子传递链组分与固氮酶电子传递链组分形成功能性的杂合电子传递链模块而得到解决。该研究成果，一方面解决了固氮酶体系转入植物靶细胞器后，还原力供应的题目；另一方面进一步削减了必要导入植物细胞器的固氮酶体系基因数目（如：铁铁固氮酶体系将最少只必要8个基因）。另外，植物叶绿体中的电子传递链模块为植物光合作用中还原力分配的核心组件，该研究为光合作用和生物固氮相偶联提供了新的思路（见附图），以实现植物自立固氮这一终极目标有着极其紧张的引导意义。

附图: 固氮酶体系导入植物细胞器潜在电子供应示意图。图内实线标示为植物靶细胞器内固有的组分，虚线标示为外源导入的组分

该研究以“Modular electron-transport chains from eukaryotic organelles function to support nitrogenase activity”为题，于2017年2月13日以长文情势在线发表在国际着名学术期刊PNAS（美国科学院院刊）。王忆平课题组的博士后杨建国和博士生谢夏青为文章的共同第一作者，英国JIC研究中间Ray Dixon教授和北京大门生命科学学院王忆平教授为该研究论文的共同通信作者。该研究工作得到了国家天然科学基金，科技部国家973重点基础研究发展计划，蛋白质与植物基因研究国家重点实验室，英国生物科学与生物技术研究基金会的资助。

编辑：拉丁