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我校在納米酶介導的生物固氮研究中取得新進展

核心提示: 近日,我校農業微生物國家重點實驗室韓鶴友教授課題組在Environmental science-nano發表研究論文。該論文報道了一種具有抗氧化活性的鐵酸鈷納米酶(CoFe2O4-NPs),並深入解析了其在調控大豆共生固氮協同效應的作用機制。

南湖新聞網訊(通訊員 馬駿)近日,我校農業微生物國家重點實驗室韓鶴友教授課題組在Environmental science-nano發表題為“Cobalt Ferrite Nanozyme for Efficient Symbiotic Nitrogen Fixation via Regulating Reactive Oxygen Metabolism”的研究論文。該論文報道了一種具有抗氧化活性的鐵酸鈷納米酶(CoFe2O4-NPs),並深入解析了其在調控大豆共生固氮協同效應的作用機制。

化學氮肥的施用,在補充作物氮素營養、提高作物產量、保障糧食安全方面發揮了巨大作用,但近年來,其與生態環境及農業可持續發展的矛盾日益凸顯。因此,尋求一種高效利用資源、環境友好的新氮素來源勢在必行。

生物固氮為全球植物提供75%的氮素,是生命科學中的重大基礎研究課題之一,在生產實際中發揮着重要作用,它和光合作用被並稱為地球生命活動的基石,為減少化學氮肥使用、緩解環境污染、保持生態平衡、降低農業生產成本提供了一種新的途徑。在自然界中,生物固氮是由固氮酶催化的,固氮酶是一種包含鐵-鉬輔助因子(FeMo)的酶複合物。其對活性氧(ROS)非常敏感,過量的ROS可使固氮酶不可逆地失活,因而ROS的合理調控在根瘤菌-豆科植物共生固氮效率中起着決定性的作用。

納米酶調控共生固氮示意圖

納米酶調控共生固氮示意圖

韓鶴友教授團隊通過模擬構建天然固氮體系,並引入功能性納米酶對比研究發現,CoFe2O4-NPs具有優異的過氧化物酶活性(圖1)。通過在固氮體系中引入CoFe2O4-NPs納米酶,能夠有效緩解固氮過程產生的ROS對固氮酶的氧化脅迫,同時增加豆血紅蛋白的積累,為根瘤菌的寄生提供更優越的環境,從而增加根瘤菌的寄生,最終實現固氮酶活性的顯著增加。 

CoFe2O4-NPs納米酶的體外活性驗證

2. CoFe2O4-NPs納米酶的體外活性驗證

該研究中,研究人員首先對CoFe2O4-NPs納米酶的體外活性進行了驗證,發現在低濃度時,CoFe2O4-NPs表現出優異的過氧化物酶活,擬合得到的米氏常數證實了其類酶活性,活性氧染色實驗進一步證實了其對ROS的清除能力(圖2)。

CoFe2O4納米酶對根瘤菌生物活性以及固氮相關基因表達中的影響

CoFe2O4納米酶對根瘤菌生物活性以及固氮相關基因表達中的影響

在通過顯微切片和細菌活力染色觀察以及透射電鏡切片時發現,CoFe2O4納米酶的引入明顯增加了根瘤菌的密度。進一步通過檢測相關固氮功能基因(GmnifA, GmnifD, GmnifH, GmnifK)的表達分析,證實了根瘤菌在CoFe2O4-NPs處理條件下相關基因表達上調(圖3)。

CoFe2O4-NPs納米酶對ROS含量的影響

CoFe2O4-NPs納米酶對ROS含量的影響

研究人員還在大豆的根瘤發育期,對根瘤的二分之一切面進行觀察和豆血紅蛋白定量分析,發現其豆血紅蛋白積累量明顯增加;在對根瘤ROS的原位和定量分析中發現暴露於CoFe2O4-NPs中的含量明顯降低(圖4)。本研究是繼課題組碳基納米酶促進豆科植物共生固氮研究的又一新進展(Nanoscale, 2017; 9: 9921-9937),為促進豆科植物結瘤提供了新思路,進一步拓寬了納米酶在農業領域的應用前景。

我校理學院博士研究生馬駿、宋智勇副教授為論文共同第一作者,韓鶴友教授為論文通訊作者,植物科學與技術學院王幼寧副教授也參與該研究。該研究得到國家自然科學基金等資助。

審核人:宋智勇

論文鏈接//doi.org/10.1039/D0EN00935K

 
責任編輯:徐行 張鈺