華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院納米化學(xué)生物學(xué)課題組在納米酶調(diào)控活性氧增強(qiáng)大豆生物固氮研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Novel approach to enhance Bradyrhizobium diazoefficiens nodulation through continuous induction of ROS by manganese ferrite nanomaterials in soybean”為題發(fā)表在Journal of Nanobiotechnology上。

生物固氮為全球植物提供了75%的氮素。ROS過(guò)去一直被認(rèn)為是植物代謝過(guò)程中的副產(chǎn)品，然而，越來(lái)越多的證據(jù)表明，ROS也是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)控的重要組成部分。豆科植物中的ROS通過(guò)直接或間接作用誘導(dǎo)結(jié)瘤基因的表達(dá)，是根瘤形成以及固氮的重要信號(hào)分子。如何調(diào)控ROS水平，誘導(dǎo)豆科植物結(jié)瘤，從而延長(zhǎng)結(jié)瘤時(shí)間，成為了生物固氮研究的新熱點(diǎn)。納米酶作為納米技術(shù)與生物學(xué)之間的橋梁，為生物固氮研究提供了獨(dú)特的解決方案。

如圖1所示，韓鶴友教授團(tuán)隊(duì)根據(jù)大豆生物固氮酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了一種新型的錳鐵納米酶，構(gòu)建納米酶與大豆根瘤菌體系，通過(guò)持續(xù)調(diào)節(jié)ROS水平，延長(zhǎng)結(jié)瘤期、增加根瘤數(shù)量，*終提高豆科植物共生固氮能力。

圖1. 納米酶調(diào)控ROS促進(jìn)豆科植物結(jié)瘤

圖2為納米酶處理大豆植物后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（1）根瘤重量和數(shù)量分別增加了 50.85% 和 61.4%，單株固氮效率增加了151.36%，生物量積累增加了25.70%；（2）轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析顯示，在36個(gè)結(jié)瘤相關(guān)差異表達(dá)基因（DEGs）中，31個(gè)與大豆結(jié)瘤相關(guān)的DEGs在根瘤菌接種后期（12d）上調(diào)，表明納米酶處理大豆根瘤后，誘導(dǎo)結(jié)瘤相關(guān)基因（Nod-R）表達(dá)從而促進(jìn)結(jié)瘤的增加。

圖2.不同濃度納米酶處理對(duì)豆科植物根的表型和根瘤發(fā)育的影響

圖3. 外源ROS調(diào)節(jié)結(jié)瘤和AON之間平衡的模型。

同時(shí)，為了評(píng)估納米酶處理對(duì)結(jié)瘤自調(diào)控（AON）通路的影響，本研究分析了通路中相關(guān)基因的表達(dá)差異，包括 NFR1/NFR5（結(jié)瘤因子）、GmNINa（結(jié)瘤基因）、ENOD40s（結(jié)瘤反應(yīng)基因）、NNC1（結(jié)瘤數(shù)量控制）、miR172c（微調(diào)根瘤菌感染和根瘤器官發(fā)生）、GmRIC1 和 GmRIC2（大豆中負(fù)責(zé)產(chǎn)生根源性結(jié)瘤的特定 CLAVATA/ESR 相關(guān) (CLE) 肽）和 GmNARK（根瘤自動(dòng)調(diào)節(jié)受體激酶）（圖3）。結(jié)果表明：（1）納米酶處理組和對(duì)照組之間結(jié)瘤因子（NFR1/5）的表達(dá)較低且無(wú)顯著差異，這可能是外源ROS誘導(dǎo)的ROS表達(dá)基因下調(diào)導(dǎo)致的；（2）GmNINa、miR172c和ENOD40s均呈現(xiàn)上調(diào)趨勢(shì)，闡明了結(jié)瘤數(shù)目增加的機(jī)制；（3）在AON通路中，NARK對(duì)GmRIC2和GmRIC1表達(dá)的顯著上調(diào)沒(méi)有明顯反應(yīng)，這可能是由于抑制了長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)腃LE肽。

綜上所述，納米酶處理可以通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)瘤期、增強(qiáng)結(jié)瘤基因的表達(dá)、增加結(jié)瘤數(shù)量，提高生物固氮能力，并且不影響植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)或觸發(fā)結(jié)瘤的AON途徑。 該研究為提高豆科植物共生固氮能力提供了新的策略。