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韩鹤友教授团队在纳米酶介导的生物固氮研究中取得新进展
来源:红世一足999814手机版 发布时间:2021-01-20

近日,红世一足999814手机版农业微生物国家重点实验室韩鹤友教授课题组在Environmental science-nano发表题为“Cobalt Ferrite Nanozyme for Efficient Symbiotic Nitrogen Fixation via Regulating Reactive Oxygen Metabolism”的研究论文。该论文报道了一种具有抗氧化活性的铁酸钴纳米酶(CoFe2O4-NPs),并深入解析了其在调控大豆共生固氮协同效应的作用机制。

化学氮肥的施用,在补充作物氮素营养、提高作物产量、保障粮食安全方面发挥了巨大作用,但近年来,其与生态环境及农业可持续发展的矛盾日益凸显。因此,寻求一种高效利用资源、环境友好的新氮素来源势在必行。

生物固氮为全球植物提供75%的氮素,是生命科学中的重大基础研究课题之一,在生产实际中发挥着重要作用,它和光合作用被并称为地球生命活动的基石,为减少化学氮肥使用、缓解环境污染、保持生态平衡、降低农业生产成本提供了一种新的途径。在自然界中,生物固氮是由固氮酶催化的,固氮酶是一种包含铁-钼辅助因子(FeMo)的酶复合物。其对活性氧(ROS)非常敏感,过量的ROS可使固氮酶不可逆地失活,因而ROS的合理调控在根瘤菌-豆科植物共生固氮效率中起着决定性的作用。

纳米酶调控共生固氮示意图

纳米酶调控共生固氮示意图

韩鹤友教授团队通过模拟构建天然固氮体系,并引入功能性纳米酶对比研究发现,CoFe2O4-NPs具有优异的过氧化物酶活性(图1)。通过在固氮体系中引入CoFe2O4-NPs纳米酶,能够有效缓解固氮过程产生的ROS对固氮酶的氧化胁迫,同时增加豆血红蛋白的积累,为根瘤菌的寄生提供更优越的环境,从而增加根瘤菌的寄生,最终实现固氮酶活性的显著增加。

CoFe2O4-NPs纳米酶的体外活性验证

图2. CoFe2O4-NPs纳米酶的体外活性验证

该研究中,研究人员首先对CoFe2O4-NPs纳米酶的体外活性进行了验证,发现在低浓度时,CoFe2O4-NPs表现出优异的过氧化物酶活,拟合得到的米氏常数证实了其类酶活性,活性氧染色实验进一步证实了其对ROS的清除能力(图2)。

CoFe2O4纳米酶对根瘤菌生物活性以及固氮相关基因表达中的影响

CoFe2O4纳米酶对根瘤菌生物活性以及固氮相关基因表达中的影响

在通过显微切片和细菌活力染色观察以及透射电镜切片时发现,CoFe2O4纳米酶的引入明显增加了根瘤菌的密度。进一步通过检测相关固氮功能基因(GmnifA, GmnifD, GmnifH, GmnifK)的表达分析,证实了根瘤菌在CoFe2O4-NPs处理条件下相关基因表达上调(图3)。

CoFe2O4-NPs纳米酶对ROS含量的影响

CoFe2O4-NPs纳米酶对ROS含量的影响

研究人员还在大豆的根瘤发育期,对根瘤的二分之一切面进行观察和豆血红蛋白定量分析,发现其豆血红蛋白积累量明显增加;在对根瘤ROS的原位和定量分析中发现暴露于CoFe2O4-NPs中的含量明显降低(图4)。本研究是继课题组碳基纳米酶促进豆科植物共生固氮研究的又一新进展(Nanoscale, 2017; 9: 9921-9937),为促进豆科植物结瘤提供了新思路,进一步拓宽了纳米酶在农业领域的应用前景。

红世一足999814手机版理学院博士研究生马骏、宋智勇副教授为论文共同第一作者,韩鹤友教授为论文通讯作者,植物科学与技术学院王幼宁副教授也参与该研究。该研究得到国家自然科学基金等资助。

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