近日,由中国农业科学院生物技术研究所林敏研究员领衔的微生物功能基因组团队在解析生物固氮机制方面取得新进展，相关成果在线发表在顶尖学术期刊《美国科学院院刊》（PNAS）上。
该研究发现，分离自我国南方水稻根际土壤的施氏假单胞菌A1501基因组携带一个固氮基因岛，其表达受两个进化来源不同的网络调节系统的精细控制，而非编码RNA在最佳固氮调节中发挥了重要作用。分子生物学证据表明，固氮酶基因nifK招募了感受逆境信号的非编码调控因子NfiS，并且经过长期的协同进化，使其mRNA稳定性或翻译活性受到NfiS高效而精细的调控。该非编码RNA在抗逆与固氮途径间建立一种确保高效固氮的新的调控偶联机制，是目前报道的第一个直接参与固氮调控的非编码RNA，可望成为一个生物固氮智能调控的候选元件。
图1 NfiS与固氮酶结构基因nifK mRNA直接相互作用。NfiS的颈环结构参与固氮酶活的调节，影响nifK mRNA稳定性或翻译活性。
据了解，作物根际联合固氮菌在长期进化中形成了一套复杂而精细的基因表达网络调控系统，以适应复杂而多变的外界环境。目前，联合固氮菌如何感应环境信号的分子机制尚不十分清楚，此外非编码RNA是否参与固氮调节尚无直接试验证据。本研究发现了一个直接参与固氮基因表达调控的非编码RNA NfiS，通过实验证明其感应外界逆境信号和固氮信号，与不同目标基因mRNA直接或间接的相互作用，增强固氮菌的逆境抗性与固氮酶活。同时，研究进一步揭示了固氮施氏假单胞菌进化过程中发生的两次重大进化事件：（1）通过基因岛转移获得固氮能力；（2）通过招募NfiS精细调节固氮使其酶活最佳化。这两次进化事件赋予了水稻根际固氮菌A1501更强的环境适应能力。NfiS的发现及其调节机制的揭示为打破碳氮限制因子对联合固氮田间应用的制约，增强联合固氮效率,实现非豆科农作物节肥稳产增效奠定了重要理论基础。
图2 NfiS介导的最佳固氮网络调控模式。NfiS在抗逆与固氮途径之间建立一种全新的调控偶联，确保高效固氮。
该研究得到国家973项目和国家自然科学基金等项目的资助，战嵛华和燕永亮两位博士为该论文共同第一作者，林敏研究员为通讯作者。
文章链接：
http://www.pnas.org/content/early/2016/07/11/1604514113。