農業生產向農田施用大量工業氮肥，以提高產量。 然而，工業氮肥只有30-50%能被農作物吸收，其余的會造成土壤板結、水污染、環境富營養化等問題。 大量的工業氮肥還會促進微生物活動，產生更多的一氧化二氮（N2O）。 一氧化二氮會導致人類心臟病，其一個世紀以來的變暖效應是等量二氧化碳的近300倍。 因此，工業氮肥的大量施用嚴重阻礙了現代農業的可持續發展。

生物固氮是自然界中少數原核微生物在常溫常壓下利用體內復雜的固氮酶系統將大氣中的氮轉化為氨的過程。 就其與植物的關系而言，自然界存在三種主要的固氮系統：自生、共生和聯合。 其中，自生固氮系統包括藍藻、發菜等原核微生物。 它們通常具有兩種主要能力：光合作用和固氮。 它們的光合作用產生的生物能不僅可以滿足其他生物過程，還可以滿足其生物固氮過程的能量需求，從而具有自身生長的能力； 共生固氮系統中的根瘤菌具有高度的寄主特異性，根瘤菌可以特異性地識別豆科植物，在其根部誘導出特定的器官——根瘤。 感染根瘤細胞的根瘤菌可以發育成類菌體并進行生物固氮。 根瘤菌與豆科植物的共生關系是，豆科植物通過光合作用為根瘤細胞中的類菌體提供碳源，作為其生長、發育和固氮的能源，而發育成類菌體的根瘤菌則為豆科植物提供氮素。他們成長所需要的； 聯合固氮系統中的聯合固氮菌宿主范圍廣，可定殖于水稻、玉米、小麥等主要農作物的根際，并吸收植物根際上千種養分。 植物分泌物生長并固氮，但固定的氮大部分用于自身生長，提供給植物的氮幾乎沒有或非常有限。 因此，就復合固氮系統而言，如何改造這些定植于植物根際的復合固氮細菌，使其在不影響自身生長的情況下分泌更多的氮，減少農業生產對工業氮肥的依賴是一個生物學問題。 固氮研究領域的重要科學問題。

目前，國際上針對組合固氮細菌的固氮合成生物學主要有兩個目標。 一是通過突變阻斷或削弱聯合固氮菌中谷氨酰胺合成酶（GS）的活性，使固氮酶固氮不能被自身同化利用而分泌到體外； 另一種是嘗試通過基因科學改造，通過組合固氮菌原有的信號轉導系統阻斷組合固氮菌中固氮酶表達的控制，轉而利用植物源信號來控制固氮活性。組合固氮細菌為農作物服務。 上述兩種模型都在一定程度上忽略了組合固氮細菌的生長狀況，給植物最終的氮貢獻帶來了潛在的風險。

2023年11月18日，北京大學生命科學學院王一平課題組在期刊在線發表題為“in to”的研究論文，提出了由于雙氮晝夜轉換增加而對谷物的氮貢獻模型。固氮細菌的生活方式。 ，在打造穩定高效的組合固氮系統方面取得突破性進展。

附圖：組合固氮菌雙重生活方式的晝夜轉換增加了對谷物的氮貢獻。 定植于植物根際的組合固氮細菌通過吸收植物根際分泌物進行生物固氮大腸桿菌是真核還是原核，并通過其溫度依賴性谷氨酰胺合成酶介導組合固氮細菌的雙重生活方式轉換。 夜間（23℃），固定氮和氨同化處于解偶聯狀態，結合的固氮菌以犧牲自身生長為代價進行生物固氮和氨分泌，并將分泌的氮輸送到谷物； 白天（30℃條件下），固定氮與氨同化作用耦合，固定氮為結合固氮菌的生長恢復和細胞增殖提供營養。 GS* 表示 P95L 突變的 GS。 N2ase代表固氮酶。

生物固氮與氨同化的解耦是構建聯合固氮生物工程菌和高效植物聯合固氮系統的前提。 這項研究發現，谷氨酰胺合成酶中氨基酸殘基的突變使得谷氨酰胺（細胞內氮水平的主要信號分子）的合成對溫度敏感，最終導致氮調節基因和酶（包括固氮）。 酶）也表示為溫度敏感型。 本研究構建的工程固氮大腸桿菌和聯合固氮產酸克雷伯菌點突變株在23℃時能分泌mM銨，但在30℃時不能分泌mM銨。 我國中原地區主要糧食作物生長期的晝夜氣溫變化恰好在30℃—23℃的溫度范圍內。 實驗結果表明，本研究構建的固氮菌組合點突變菌株，與傳統的“連續供氮模式”（23℃恒溫）、“間歇供氮模式”——“30℃-23 °C"晝夜溫差的變化可以為共培養的真核小球藻和禾本科作物玉米提供更多的氮素。 為此，本研究提出了結合固氮細菌雙重生活方式的晝夜轉換模型。 白天（30℃），固氮菌固定的氮用于自身生長恢復和增殖； 夜間（23℃），固氮菌固定的氮結合。 細菌固定的氮被排出體外，被籽粒吸收，促進籽粒生長（附圖）。 該研究對于保持組合固氮菌株的活力和可持續氮供應具有重要意義，在農業生產中具有較高的潛在應用價值。

北京大學生命科學學院畢業生唐玉倩博士、博士后秦德斌、田哲賢副教授為該論文的共同第一作者； 英國John Innes研究中心的Ray Dixon教授和北京大學生命科學學院王一平教授為該論文的共同通訊作者； 博士北京大學生命科學學院學生陳文謙、馬元熙、畢業生王吉龍博士、北京大學現代農業學院楊建國研究員、印第安納大學醫學院嚴達來博士參加部分活動的研究工作。 該研究得到了國家自然科學國際合作重點基金、科技部國家重點研發計劃、北京大學學生科啟東創新基金、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室的資助。

研究組簡介

王一平：

北京大學生命科學學院教授、博士生導師。

實驗室研究領域：

多年來，該實驗室的工作得到了國際同行的認可。 主要得到國家自然科學基金、科技部“863”、“973”項目基金、國家教育部基金、中法高級合作項目、人力等項目的資助。 主要工作包括：大腸桿菌及相關細菌中的基因調控網絡，特別是碳代謝和氮代謝的調控耦合； 大腸桿菌及相關細菌的基因調控機制； 植物-微生物相互作用科學研究的分子生物學和功能基因組； 生物修復領域的研究（功能基因的分離）； 合成生物學和生物固氮； 主要成果包括發現了碳代謝和氮代謝在原核基因表達調控中新的耦合效應和分子機制；大腸桿菌等的定量生物學研究。 發現DNA的物理性質參與基因表達的調控（該成果被國際知名學術網站1000推薦）； 提出了激活蛋白-啟動子DNA-σ54-RNA聚合酶形成的激活復合物的“三明治”結構模型（該結果被國際知名學術網站1000推薦；采用合成生物學方法，我們用T7 RNA聚合酶表達該系統取代了原有的σ54 RNA聚合酶對固氮基因簇轉錄調控的作用，繞過了原有固氮基因簇對轉錄調控系統中14個調控蛋白的依賴，最終實現了固氮基因的轉移為真核系統奠定了堅實的基礎；以肺炎克雷伯菌鉬鐵固氮基因簇為基礎，在大腸桿菌中成功構建了鐵鐵雜合固氮酶系統，從而成功構建了鐵鐵雜合酶。不損失酶活性的固氮酶系統，僅包含 10 個結構基因的最小鐵-鐵固氮酶系統（Yang et al. 2014 年，美國國家科學院院刊）； 證明源自植物葉綠體和根白體的電子傳遞鏈模塊可以在功能上替代鉬-鐵和鐵-鐵固氮酶系統。 負責電子轉移的原始模塊提供了底物還原所需的還原力（Yang and Xie et al. 2017，PNAS。該論文被PNAS雜志推薦為“From the cover”封面文章）； 而極其復雜的鉬鐵固氮酶系統需要十幾個甚至幾十個基因的協調表達，被簡化為五個編碼的巨型基因，并證明其高活性可以支持以氮為基礎的大腸桿菌的生長。唯一的氮源（Yang和Xie等人。2018，PNAS。該論文被PNAS雜志推薦為“From the cover”封面文章）。 上述研究具有里程碑意義，為最終將固氮基因轉移到真核系統奠定了堅實的基礎。

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