近日，中国农业科学院生物技术研究所微生物功能基因组创新团队林敏课题组首次阐明了NfiS参与氧化胁迫逆境适应的生物学功能。该研究为揭示固氮微生物的逆境胁迫适应机制和固氮酶氧保护机制奠定了重要的理论基础。相关研究成果在线发表在微生物学经典期刊《细菌学杂志（Journal of Bacteriology）》上。
    固氮施氏假单胞菌A1501是一株分离自水稻根际的联合固氮菌，其固氮活性受根际非生物胁迫因子、特别是氧化胁迫因子的影响较大。分子氧作为电子受体一方面为A1501固氮提供充足的ATP，但同时也可能引起固氮酶不可逆失活。因此,A1501在长期进化过程中形成了一套高效复杂的氧保护机制，以满足固氮的能量需求，同时保护固氮酶不受氧损伤。当前，有关生物固氮的氧保护机制研究是固氮领域的热点问题，但非编码RNA是否参与固氮酶的氧保护，缺乏直接的科学证据。
    本团队前期研究发现， A1501拥有一个参与最佳固氮酶活性调控的新型非编码RNA NfiS，其表达受过氧化氢诱导，突变后菌株氧化胁迫抗性显著降低，可能是一个参与氧化胁迫应答的新的非编码RNA，但相关靶标和作用机制尚不清楚。本研究发现， A1501基因组中包含四个过氧化氢酶基因（katA、katB、katE和katG）和一个过氧化物感应基因oxyR，这些基因在不同的假单胞菌株中具有高度保守性，表明它们可能具有相似的抗氧化调控机制。实验证明，过氧化氢酶编码基因katB是A1501氧化胁迫应答调控体系中的关键基因，其表达受到正调节因子OxyR的调控。该基因的突变不但降低了菌株的氧化胁迫抗性，而且也影响了菌株在氧化胁迫条件下的最佳固氮酶活性。体外分子互作和体内互补实验结果表明，NfiS分子存在两个与katB mRNA相互作用的位点，通过分子间的直接相互作用增强katB mRNA的稳定性。本研究进一步提出了由非编码RNA NfiS介导的氧化胁迫应答和最佳固氮酶活性的协同调控模型：在转录后水平上，NfiS通过与过氧化氢酶基因katB和固氮酶基因nifK的转录产物结合，增强过氧化氢酶表达与活性，保护固氮酶不受氧的损伤；另一方面，低浓度的过氧化氢在过氧化氢酶的催化下被分解，产生的氧气能够支持菌株在氧气不足的条件下进行生物固氮。

    非编码RNA NfiS介导的氧化胁迫应答和最佳固氮酶活性的协同调控模型

    根际联合固氮体系由于不能形成根瘤等共生结构，其固氮效率受根际逆境胁迫因子的影响非常大，是非豆科作物根际联合固氮在农业中应用的关键瓶颈问题。该研究对于克服上述瓶颈问题，增强非生物逆境条件下根际联合固氮效率，实现节肥增产增效均具有重要的理论指导意义。
    该研究得到国家973项目和自然科学基金项目资助，硕士研究生张宏扬和战嵛华副研究员为共同第一作者，林敏研究员为通讯作者。
    原文链接：https://jb.asm.org/content/jb/201/19/e00334-19.full.pdf