生科王忆平教授课题组经过组成生物学完成“超
来源:奇迹网 发表于2019-07-16 20:41:25 编辑:古力娜扎
摘要: 工业氮肥的施用满意了农作物高产的需求。但是氮肥过度施用会导致土壤板结和水体富营养化等环境问题。一起,丢失的硝酸盐氮肥被转化为二氧化氮,或

 

生科王忆平教授课题组经过组成生物学完成“超简固氮基因组”构建

 

生科王忆平教授课题组经过组成生物学完成“超简固氮基因组”构建

 

生科王忆平教授课题组经过组成生物学完成“超简固氮基因组”构建

 

生科王忆平教授课题组经过组成生物学完成“超简固氮基因组”构建

工业氮肥的施用满意了农作物高产的需求。但是氮肥过度施用会导致土壤板结和水体富营养化等环境问题。一起,丢失的硝酸盐氮肥被转化为二氧化氮,或许导致癌症、心脏病,以及高于二氧化碳的温室效应。因而,工业氮肥的很多施用严峻阻止了农业的可持续发展。相反,生物固氮是大自然供给的天然绿色氮肥,经过少量原核微生物中的杂乱固氮酶体系,在常温常压下将大气中的氮气转化为生物体可使用的氨的进程。

将固氮酶体系直接导入植物细胞内,使首要农作物具有自主固氮功用的氮素的特点,然后脱节农业生产对工业氮肥这一高耗能高污染化工产品的依靠,一直是生物固氮研讨范畴完成农业生产“绿色革命”的愿望。

现在已知的固氮酶体系有三种,因为它们的活性中心分别由不同金属原子簇组成,被命名为钼铁、钒铁和铁铁固氮酶体系,其间以钼铁固氮酶体系活性最高,研讨也最为深化。但是钼铁固氮体系往往需求十几个甚至几十个基因参加,而且这些基因之间往往需求和谐表达才干完成其功用,如此巨大的基因数目极大的约束了将钼铁固氮酶体系导入植物细胞。因而怎么经过组成生物学办法完成固氮酶体系的简化是将固氮酶体系导入植物细胞,完成植物自主固氮进程中需求处理的难题之一。

为了处理这一难题,王忆平课题组引入了相似数学中“兼并同类项”的思维理念,一起学习了自然界中植物病毒中频频呈现Polyprotein的战略(即共转录共翻译,然后使用特异性蛋白酶剪切成各个蛋白肽段进行拼装),使用组成生物学手法成功的将Polyprotein的战略使用到了高度杂乱的钼铁固氮体系的简化进程中。经过对该体系多层次有用的定量评价,绵长而杂乱的多轮排列组合,成功地将原本以6个操纵子(共转录)为单元的含有18个基因的产酸克雷伯菌钼铁固氮酶体系成功的转化为5个编码Polyprotein的巨型基因,并证明其高活性可支撑大肠杆菌以氮气作为仅有氮源成长(见附图)!这一研讨成果,使得新构建的固氮体系更契合未来向真核体系甚至农作物转化的需求,使人类进一步看到了完全脱节工业氮肥的曙光。本研讨成果以“Polyprotein strategy for stoichiometric assembly of nitrogen fixation components for synthetic biology”为题已于近期在美国科学院院刊(PNAS)在线宣布(Yang and Xie et al., 2019, PNAS)。结合前期世界同行及王忆平课题组现已证明的一些植物已有的功用模块,如铁硫原子簇组成模块(López-Torrejón et al., 2019, Nat Commun)、电子传递模块(Yang and Xie et al., 2019, PNAS)可以功用代替固氮酶体系中对应模块的研讨成果,理论上讲只需求3个巨型基因就可以构建出可以自主固氮的高等植物。

附图:(A)固氮酶体系再分组及逐个兼并“同类项”进程示意图;(B)5个编码Polyprotein的巨型基因构成的固氮酶体系(VIII)支撑大肠杆菌以氮气为仅有氮源成长。

王忆平课题组的杨建国博士、谢夏青博士(现已留校)为一起榜首作者,博士生相楠,田哲贤副教授为该研讨供给了重要的支撑和协助,北京大学生命科学学院王忆平教授与英国JIC研讨中心Ray Dixon教授为文章的一起通讯作者。该研讨工作得到了国家自然科学基金要点项目,科技部国家973要点基础研讨发展计划,北京大学生科启东立异基金,蛋白质与植物基因研讨国家要点实验室的赞助。

修改:知远

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