文档介绍：项目名称: 高效生物固氮作用机理及其在农业中的
应用
首席科学家: 王忆平北京大学
起止年限: 2004 年 6 月至 2006 年 8 月
依托部门: 教育部农业部
一、研究内容和课题设置
主要研究内容有:
(1)提高生物固氮效率的研究重点是克服铵阻遏、氧敏感、温度
效应和能量供应问题, 拟开展以下研究:
(A)固氮基因的表达调控研究(以分子遗传学为主,与农学交
叉)
以自生固氮的肺炎克氏杆菌和共生固氮的苜蓿根瘤菌为模式菌
株, 目前已基本查清其固氮基因结构和功能研究。有关铵、氧、温度
的阻遏作用中固氮基因表达的调控机理研究虽然有所进展,可是对固
氮基因启动子元件和相关蛋白因子之间的、以及相关调控蛋白因子之
间的相互作用仍不清楚。研究和了解这些调控机制,可为构建高效固
氮的基因工程固氮菌株奠定理论基础。
本研究的主要内容是固氮基因表达的调控作用,研究 DNA 顺式
元件和结合在上的蛋白因子及蛋白因子之间的相互作用机理,从而了
解影响固氮效率提高的原因,为解决高效固氮提出研究策略、方法和
技术。在此基础上构建克服限制因子的高效固氮工程菌株,从而达到
提高固氮效率的目的。
(B)氮碳代谢和固氮作用与光合作用偶联关系研究(以分子生
物学为主,与植物生理学交叉)
最近研究发现碳代谢基因调控系统对固氮及氮代谢基因的表达
也有调控作用,即碳代谢与固氮基因在调控水平的偶联关系。氮碳(合
成和分解)代谢是一切生命活动的两大根本问题。在属于氮代谢的固
氮作用中,能量的供应,特别对豆科植物共生固氮是一个大问题。如
何通过提高光合作用效率来提高固氮作用是必须考虑的一个重要问
题。再深一层的出发点是由于每种生物都有氮代谢和碳代谢,对固氮
生物还有固氮作用,这三者之间究竟存在着怎样的基因调控网络,是
十分基础的根本问题。对它们的了解,将对提供碳源,提高固氮作用
有重要意义。
本研究主要阐明微生物体内碳代谢与固氮及氮代谢之间存在的基因
调控网络及其调控机制,在学术论文,并在此理论
基础上为水稻、玉米、小麦等作物构建可高效利用不同碳源的高效固
氮联合固氮工程菌;为大豆等作物构建高光合高固氮的共生固氮体
系。
(2)提高豆科牧草共生固氮体系对干旱、盐碱、酸性、高温等环
境胁迫因子的适应能力(以分子遗传学为主,与农学交叉)
针对我国西南地区的酸性、高温生态环境和西北地区的干旱、
盐碱生态环境,通过对豆科牧草及其根瘤菌的遗传结构改造,提高豆
科牧草共生固氮体系的抗逆能力,扩大豆科牧草在我国西部的种植范
围,提高共生固氮效率,增加牧草的产量和质量。
(3)提高共生根瘤菌与宿主植物相互作用效率、扩大根瘤菌宿主
范围的研究(以分子遗传学为主,与农学交叉)
共生固氮体系根瘤菌与宿主植物的关系最紧密,效率最高,它是
目前生物固氮研究的焦点之一。对它的研究主要有两个目的,一是揭
示根瘤菌与宿主植物相互作用机理,二是扩大宿主范围,使非豆科植
物,如水稻、小麦、玉米等粮食作物也能共生固氮。这一研究涉及根
瘤菌与植物两者之间的分子对话,相互识别,信息传导和基因表达的
网络调控。
共生固氮体系中根瘤菌与宿主植物相互关系的关键问题是识
别、根瘤发育和固氮。揭示根瘤菌与宿主植物相互作用的信号传导、
参与的功能基因组的时空表达及其网络调控机理,将为高效共生固氮
提出(a)解决植物碳源供应问题;(b)为扩大根瘤菌宿主范围提出策
略、路线和技术途经。关于非豆科植物自主固氮研究是生物固氮研究
最长远的目标。为达此目标,首先需要对豆科植物与根瘤菌相互作用
的分子机理及两者与结瘤固氮作用相关的功能基因组有了解,同时探
讨非豆科植物中有多少与结瘤固氮相关的基因存在。在此基础上,为
非豆科植物的自主固氮提供研究的策略和路线创造了条件。
(4)固氮酶结构、功能及其催化机理研究(生物化学与化学、物
理学交叉)
虽然已有固氮酶的三维结构的解析,但了解其催化机理和达到
化学模拟还有一段距离。固氮酶有多样性,目前至少有三种固氮酶能
固氮,现在仅仅对一种固氮酶作了三维结构研究,还有两种甚至多种
固氮酶的结构不清楚。本题主要研究固氮酶结构、功能和催化机理。
上述 4 个关键科学问题和主要研究内容,对高效生物固氮作用
机理研究构成了一个系统,形成了一个整体。
(具体说明每个课题的主要研究内容、目标、承担单位、课题负责人及主要学术
骨干、经费比例等)
(1)共生固氮系统形成中的信号分子、信号传导及共生基因的诱
导
共生固氮系统的建立是一个多相级发育过程,它受环境