北大生命科学学院王忆平课题组在生物固氮领域取得突破性进展

【字体: 时间:2014年08月20日 来源:生物通

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  北大生命科学学院王忆平课题组与英国JIC研究中心Ray Dixon教授合作,近日在美国科学院院刊(PNAS)上发表了题为Reconstruction and minimal gene requirements for the alternative iron-only nitrogenase in Escherichia coli的论文,论文通过合成生物学的手段,揭示了铁铁固氮酶体系独立行使功能所需的最少基因数目,该研究对于实现真核生物自主固氮有着重要的意义。

  

北大生命科学学院王忆平课题组与英国JIC研究中心Ray Dixon教授合作,近日在美国科学院院刊(PNAS)上发表了题为Reconstruction and minimal gene requirements for the alternative iron-only nitrogenase in Escherichia coli的论文,论文通过合成生物学的手段,揭示了铁铁固氮酶体系独立行使功能所需的最少基因数目,该研究对于实现真核生物自主固氮有着重要的意义。

生物固氮是原核微生物利用体内复杂的固氮酶系统,在常温常压下将大气中的氮气转换为生物体可利用的氨的过程。目前已鉴定的固氮酶系统有三种,由于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、钒铁和铁铁固氮酶系统。当前对钼铁固氮酶系统的研究最为深入,而对钒铁及铁铁固氮酶系统的研究相对欠缺。

在原宿主菌中,由于铁铁固氮酶体系的表达受到极其复杂的调控,使得对于该酶的研究进展缓慢。为了克服以上困难,王忆平课题组通过合成生物学的手段,在模式生物大肠杆菌中重新构建了铁铁固氮酶体系。通过进一步的分子遗传学及生物化学分析,首次明确界定确保铁铁固氮酶系统的合成及其生物活性的十个必需基因,分别为结构基因anfHDGK,金属簇合成所需基因nifBUSV,以及负责提供电子传递的nifF和nifJ基因。同时发现,铁铁固氮酶活性中心FeFe-co的合成比传统的钼铁固氮酶活性中心FeMo-co的合成过程更加简化。与钼铁固氮酶系统相比,铁铁固氮酶系统避免了钼元素在自然界的稀缺性,及其在植物体内运输及分布的局限性,本研究成果对实现真核生物自主固氮,替代化学合成的氮肥施用这一固氮研究领域的终极目标具有重要意义。

该论文的第一作者为王忆平课题组的博士研究生杨建国。本研究得到了国家重大基础研究发展计划973生物固氮项目、蛋白质与植物研究国家重点实验室的资助。

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