基础复制控制着豆科植物和细菌之间的固气共生关系

一篇描述研究人员发现的论文于10月31日发表在《自然植物》杂志上。氮生命重要成分之一它它是氨基酸蛋白质以及以及以及和和和和和和和的的的核酸核酸核酸核酸核酸核酸核酸核酸核酸生物体生物体生物体生物体的基本组成部分的的一一一个组成氪现像，它们几乎注定会死。

大气层中大约80%是由气组成的，因此人们可能认为缺气是不可能的。但是，这种形式的气--由两个原子结合在一起不能组成的分子，即N2--所有的生物体使用。

这个过程称为生物固氮。许多植物能够吸收固氮细菌合成的氨，而其他生物，包括动物，可以吃掉那些植物或吃掉那些吃过那些植物的动物，从而获得它们的氮“固定”。

还有少数植物，特别是豌豆、蚕豆和小扁豆等豆科植物，与根瘤菌有共生关系，根瘤菌被掺入植物根部的一些细胞中，形成小的根瘤状增长。细菌和植物之间的共生交易涉及根瘤菌用它们的一些氨交换发育所需的其他类型的营养素。

但许多作物并不享受与根瘤菌的这种共生关系。在这些情况下，农民需要在他们的田地里撒上粪肥或合成肥料，这样这些作物才能从氨中获取赋予生命的氮。

对于可持续农业，这带来了两个主要问题。合成肥料是通过Haber-Bosch过程生产的，这是现代世界最重要的化学反应之一。它利用高温高压将大气中的氮气与氢气结合，人工生产氨气。

但是，获取这种氨配方所需的氢成分的最简单、最便宜的方法是分解构成天然气的甲烷分子，进而产生二氧化碳作为副产品。这使得肥料生产成为全球农业变暖的主要原因之一。

此外，在田间施用粪肥和合成肥料会导致氨农业径流进入河流和溪流。这种“氮污染”导致致命的藻类大量繁殖，吸走近海的氧气，导致巨大的水下死区。

“因此，如果科学家能够更多地了解根瘤菌与豆类共生是如何发生的，也许我们可以设计其他类型的植物，而不仅仅是豆科植物，它们可以形成这种共生，甚至可以直接固氮，”微生物学家孔兆生说。北京中国科学院植物基因组学国家重点实验室，该论文的合著者。

“这可以从根本上减少我们对粪肥和合成肥料的依赖，甚至完全消除它们的需求。这一直是可持续农业的圣杯。”

虽然人们对这种共生关系了解很多，但仍有很多谜团，尤其是控制内共生关系的生化过程——细菌如何将自身融入植物的根瘤细胞。在大多数豆科植物中，根瘤菌通过根外侧的卷曲毛发被困在宿主体内。

然后，细菌通过管状感染线“感染”植物细胞，在其中增殖。这些线又被宿主植物产生的膜包裹，形成类似于细胞器(在细胞内执行不同功能的“器官”)的结构。这种固氮细胞器样结构称为共生体，它实际上从根本上重组了细胞以适应根瘤菌。

众所周知，植物来源的共生体膜为植物和细菌这两种共生体之间的营养和“信号”(化学指令)交换提供了一个界面，并且植物细胞的细胞骨架(细胞内的细丝状内部支架))在此界面中起着关键作用。

此外，研究人员怀疑，由于中央液泡——植物细胞中的大型储水细胞器——对细胞和细胞壁施加力以维持压力平衡，从而有助于协调细胞的内部组织，它可能起到一些作用在共生体中的作用。

但是，所有这些如何运作的潜在机制在很大程度上仍然未知。

在大约4亿年前最早征服陆地的常见地钱Marchantiapolymorpha中，有一种蛋白质，即驱动蛋白样钙调蛋白结合蛋白或KCBP。驱动蛋白是“运动”蛋白，通过沿着内部微管结构“行走”，将分子转运到许多不同类型生物体的细胞中。

然而，KCBP是植物所独有的，在地钱中，KCBP对这些早期植物的根状茎、根状结构的生长至关重要。这种蛋白质被认为是让植物适应陆地的关键进化发展之一。

令人着迷的是，在桶形三叶草植物(一种豆科植物)中，负责产生这种KCBP的基因在感染线阶段的根毛中几乎无处不在。

因此，研究人员使用BLAST(基本局部比对搜索工具)分析将重点放在KCBP编码基因上，该程序将特定生物的遗传或蛋白质序列与此类序列的数据库进行比较，以找到相似的区域。

他们发现在桶状三叶草的基因组中，存在着它们的重复。在发生这种KCBP编码基因复制的地方，它们的活性似乎仅与桶状三叶草和根瘤菌之间的相互作用有关，这种相互作用能够形成共生体。

一项单独的系统发育分析——祖先物种随时间发生遗传变化的进化史——发现这种KCBP编码基因的复制只发生在形成共生体的豆科植物中。

研究人员认为，根瘤菌正在劫持植物的复制KCBP，以引导细胞内微管的交联，从而控制共生细胞中中央液泡的形成方式。通过这种方式，它控制着共生体的发育。

还有许多悬而未决的问题。该团队现在的目标是确定是什么驱动重复KCBP基因的激活(表达)，找到与控制重复基因组的基因协同作用以调节细胞中根瘤菌适应性的基因，并探索化学信号传导的工作原理跨越这两个截然不同的生命王国，植物和细菌，来管理共生。