為應對全球氣候的變化，各國也在不斷提高節能減排的要求。對於依賴工業化肥的植物來說，是否有一天也能自己生成化肥？
10月29日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心Jeremy Dale Murray（傑睿）研究組及合作團隊就有重大發現，他們在國際學術期刊《科學》線上發表了題為 “NIN-Like Protein Transcription Factors Regulate Leghemoglobin Genes in Legume Nodules（根瘤起始類蛋白轉錄因子調控豆科植物根瘤中的豆血紅蛋白基因的表達）” 的研究論文。該研究首次發現轉錄因子NLP家族調控根瘤中豆血紅蛋白基因表達的分子機制。同時研究還挖掘出該調控機制的進化和起源。
漫畫為受訪單位提供
簡而言之，該研究揭示了豆科植物如何建造“固氮工廠”。
“生物固氮作為潛在的新型氮肥來源，對於農業可持續發展具有重要意義，我們的成果闡述了豆科植物固氮的新調控機制，這也為提高豆科植物的固氮能力提供了理論基礎。”論文第一作者、分子植物卓越中心助理研究員姜蘇育告訴第一財經。
農業綠色革命以來，氮肥主要來自化學生產，而自然界有天然的生物固氮系統——土壤中的固氮菌。豆科植物大多能與固氮根瘤菌建立共生關係，形成高效的“固氮工廠”——根瘤。根瘤中含有大量的固氮工具——類菌體。類菌體內的固氮酶能夠將空氣中的氮氣轉變成植物可利用的氨，同時植物可提供根瘤菌需要的碳水化合物，從而互惠互利。
然而固氮反應過程需要消耗大量的能量，對植物來說是比較“昂貴”的交換，不僅如此，固氮酶對氧氣高度敏感，需要在低氧環境中才能工作，但是宿主細胞和根瘤菌本身的呼吸作用又需要大量氧氣。為了同時滿足固氮酶、宿主細胞與根瘤菌的不同需求，根瘤細胞透過合成大量的共生血紅蛋白（又名豆血紅蛋白）來調節氧氣濃度。
“豆血紅蛋白類似人體血液中的血紅蛋白，包含血紅素和蛋白質。”論文通訊作者Jeremy告訴第一財經，結合了鐵元素的血紅素可與氧氣結合降低其含量，同時，還可以將結合的氧氣釋放給類菌體供其呼吸。豆血紅蛋白使根瘤呈現粉紅色，因此豆科植物的根瘤看起來是粉紅色的。
在雙碳背景下，該研究發現也有重要意義。
對於已經存在數千萬年的豆科植物，對農業的重要性不言而喻。由於能源成本的逐年提高，氮肥的生產成本也在增加。因此，生物固氮作為潛在的新型氮肥來源，對於農業可持續發展具有重要意義。
該研究成果有助於對水稻和玉米等非豆科植物實現自主固氮的研究，進而降低工業氮肥的使用，對於節約農業生產成本和生態環境保護具有重大意義。
“工業化肥的生產和施用對生態環境造成嚴重汙染，如果實現非豆科植物固氮，提升植物氮素利用效率，就可以大大減少化肥的利用。不只是Jeremy，我們中心一共有三個研究組在做這個研究，而且這三個組的牽頭人，他們都是前後一起加入的中心。”分子植物卓越中心副主任王佳偉介紹道。
Jeremy ，受訪單位供圖
談及為何來到上海工作，Jeremy對記者說，在植物分子領域，這個研究所非常知名。“而且所裡另外兩個研究組的牽頭人我們在英國時就已認識，我們都在做同一個領域的研究，他們也相繼來上海加入到了中心。這裡的研究團隊比我在國外時大很多，可以去研究更多的東西。”
