Science Advances | 英国牛津大学研究揭示根瘤菌-豆科植物共生固氮的代谢机制！

生物固氮每年为农业系统提供五千到七千万吨的生物可利用氮并维持全球粮食安全。对生物固氮最有效的贡献来自豆科植物和根瘤菌之间的共生关系，它们是诱导植物根部形成根瘤的土壤细菌（Nature | 突破！中科院植生所王二涛团队揭示豆科植物与根瘤菌共生固氮的关键模块！Science | 重磅研究揭示植物如何区分有益和有害微生物！Science | 专家点评：豆科植物结瘤共生的特异性；Current Biology | 中科院分子植物卓越中心王二涛团队揭示植物共生结瘤的信号转导机制！）。在根瘤内，根瘤菌分化成类菌体，将大气中的N₂ 还原为氨，分泌到植物宿主，以交换二羧酸盐，主要是琥珀酸盐和苹果酸盐。琥珀酸和苹果酸通常通过苹果酸酶和丙酮酸脱氢酶代谢，产生可在三羧酸 (TCA) 循环中氧化的乙酰辅酶A。类菌体是否需要完整的TCA循环仍不清楚，因为它对根瘤菌和中华根瘤菌至关重要，但缺乏2-酮戊二酸脱氢酶活性的日本慢生根瘤菌突变体在每个类菌体的基础上实现了野生型固氮水平。通过TCA循环的通量产生还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH) 和黄素腺嘌呤二核苷酸 (FADH2)，它们为固氮和三磷酸腺苷 (ATP) 的生成提供电子。尽管根瘤菌需要氧气来合成ATP，但根瘤中的氧气含量仅为10到40nM。这是高度氧敏感固氮酶活性的必要条件。脂质和碳聚合物的合成证明了在这些条件下平衡碳分配的挑战，例如聚羟基丁酸 (PHB)，这表明营养供应不平衡。PHB和脂质被认为在细菌的碳和氧化还原吸收中发挥作用，尽管它们的积累在根瘤菌菌株之间是可变的，它们的作用仍有待阐明。

与自由生活的细菌相比，根瘤菌的固氮作用的显著区别在于向植物分泌固定的氨。然而，没有已知的代谢机制，迫使固定的氮分泌到植物中，而不是由类菌体同化。除了主要的分泌产物氨外，大部分固定的氮显然以丙氨酸和天冬氨酸的形式分泌。同时，在自由生活的根瘤菌中活跃的谷氨酰胺合成酶-谷氨酰胺酮戊二酸氨基转移酶（GS-GOGAT）系统对氨的同化作用在共生过程中被下调。

2021年7月30日，国际权威学术期刊Science Advances发表了英国牛津大学Philip S. Poole教授（PNAS | 英国牛津大学Philip Poole团队揭示豆科植物-根瘤菌互惠共生中的条件性制裁效应！PNAS | 英国牛津大学最新研究揭示根瘤菌从根际到共生的生活方式适应机制！ISME | 英国牛津大学Philip S. Poole团队揭示根瘤菌工程化促进可持续农业发展）团队的最新相关研究成果，题为Metabolic control of nitrogen fixation in rhizobium-legume symbioses的研究论文。

根瘤菌诱导豆科植物根部形成根瘤并分化为类菌体，后者分解代谢植物来源的二羧酸盐，将大气中的N₂还原为氨。尽管这种共生在农业上具有重要意义，但控制类菌体中碳和氮分配以及促进向植物分泌氨的机制在很大程度上是未知的。使用源自基因组规模的代谢模型，结果表明细菌的碳聚合物合成和丙氨酸分泌促进微需氧根瘤中的氧化还原平衡。与糖类相比，二羧酸盐的分解代谢不仅会导致更高的需氧量，还会导致更高的NADH/NAD⁺比率。建模和¹³C代谢通量分析表明，氧限制了三羧酸循环的脱羧臂，这限制了氨同化为谷氨酸。通过严格控制氧气供应并提供二羧酸盐作为固定N₂的能量和电子源供体，豆类促进了类菌体的氨分泌。这是根瘤菌-豆科植物共生的一个决定性特征。

图 1 代谢模型重建流程

图 2 iCS323的ECM

图3 聚合物合成和氨基酸分泌对固氮需氧量和碳消耗的影响

图 4 类菌体对不同碳和氧可用性的代谢反应

图 5 氨同化对需氧量的预测影响

图 6 碳源决定豆科植物需氧量和氧化还原比

图 7 根瘤菌代谢通量分析

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