大肠杆菌是真核还是原核

农业生产向农田施用大量工业氮肥，以提高产量。 然而，工业氮肥只有30-50%能被农作物吸收，其余的会造成土壤板结、水污染、环境富营养化等问题。 大量的工业氮肥还会促进微生物活动，产生更多的一氧化二氮（N2O）。 一氧化二氮会导致人类心脏病，其一个世纪以来的变暖效应是等量二氧化碳的近300倍。 因此，工业氮肥的大量施用严重阻碍了现代农业的可持续发展。

生物固氮是自然界中少数原核微生物在常温常压下利用体内复杂的固氮酶系统将大气中的氮转化为氨的过程。 就其与植物的关系而言，自然界存在三种主要的固氮系统：自生、共生和联合。 其中，自生固氮系统包括蓝藻、发菜等原核微生物。 它们通常具有两种主要能力：光合作用和固氮。 它们的光合作用产生的生物能不仅可以满足其他生物过程，还可以满足其生物固氮过程的能量需求，从而具有自身生长的能力； 共生固氮系统中的根瘤菌具有高度的寄主特异性，根瘤菌可以特异性地识别豆科植物，在其根部诱导出特定的器官——根瘤。 感染根瘤细胞的根瘤菌可以发育成类菌体并进行生物固氮。 根瘤菌与豆科植物的共生关系是，豆科植物通过光合作用为根瘤细胞中的类菌体提供碳源，作为其生长、发育和固氮的能源，而发育成类菌体的根瘤菌则为豆科植物提供氮素。他们成长所需要的； 联合固氮系统中的联合固氮菌宿主范围广，可定殖于水稻、玉米、小麦等主要农作物的根际，并吸收植物根际上千种养分。 植物分泌物生长并固氮，但固定的氮大部分用于自身生长，提供给植物的氮几乎没有或非常有限。 因此，就复合固氮系统而言，如何改造这些定植于植物根际的复合固氮细菌，使其在不影响自身生长的情况下分泌更多的氮，减少农业生产对工业氮肥的依赖是一个生物学问题。 固氮研究领域的重要科学问题。

目前，国际上针对组合固氮细菌的固氮合成生物学主要有两个目标。 一是通过突变阻断或削弱联合固氮菌中谷氨酰胺合成酶（GS）的活性，使固氮酶固氮不能被自身同化利用而分泌到体外； 另一种是尝试通过基因科学改造，通过组合固氮菌原有的信号转导系统阻断组合固氮菌中固氮酶表达的控制，转而利用植物源信号来控制固氮活性。组合固氮细菌为农作物服务。 上述两种模型都在一定程度上忽略了组合固氮细菌的生长状况，给植物最终的氮贡献带来了潜在的风险。

2023年11月18日，北京大学生命科学学院王一平课题组在期刊在线发表题为“in to”的研究论文，提出了由于双氮昼夜转换增加而对谷物的氮贡献模型。固氮细菌的生活方式。 ，在打造稳定高效的组合固氮系统方面取得突破性进展。

附图：组合固氮菌双重生活方式的昼夜转换增加了对谷物的氮贡献。 定植于植物根际的组合固氮细菌通过吸收植物根际分泌物进行生物固氮大肠杆菌是真核还是原核，并通过其温度依赖性谷氨酰胺合成酶介导组合固氮细菌的双重生活方式转换。 夜间（23℃），固定氮和氨同化处于解偶联状态，结合的固氮菌以牺牲自身生长为代价进行生物固氮和氨分泌，并将分泌的氮输送到谷物； 白天（30℃条件下），固定氮与氨同化作用耦合，固定氮为结合固氮菌的生长恢复和细胞增殖提供营养。 GS* 表示 P95L 突变的 GS。 N2ase代表固氮酶。

生物固氮与氨同化的解耦是构建联合固氮生物工程菌和高效植物联合固氮系统的前提。 这项研究发现，谷氨酰胺合成酶中氨基酸残基的突变使得谷氨酰胺（细胞内氮水平的主要信号分子）的合成对温度敏感，最终导致氮调节基因和酶（包括固氮）。 酶）也表示为温度敏感型。 本研究构建的工程固氮大肠杆菌和联合固氮产酸克雷伯菌点突变株在23℃时能分泌mM铵，但在30℃时不能分泌mM铵。 我国中原地区主要粮食作物生长期的昼夜气温变化恰好在30℃—23℃的温度范围内。 实验结果表明，本研究构建的固氮菌组合点突变菌株，与传统的“连续供氮模式”（23℃恒温）、“间歇供氮模式”——“30℃-23 °C"昼夜温差的变化可以为共培养的真核小球藻和禾本科作物玉米提供更多的氮素。 为此，本研究提出了结合固氮细菌双重生活方式的昼夜转换模型。 白天（30℃），固氮菌固定的氮用于自身生长恢复和增殖； 夜间（23℃），固氮菌固定的氮结合。 细菌固定的氮被排出体外，被籽粒吸收，促进籽粒生长（附图）。 该研究对于保持组合固氮菌株的活力和可持续氮供应具有重要意义，在农业生产中具有较高的潜在应用价值。

北京大学生命科学学院毕业生唐玉倩博士、博士后秦德斌、田哲贤副教授为该论文的共同第一作者； 英国John Innes研究中心的Ray Dixon教授和北京大学生命科学学院王一平教授为该论文的共同通讯作者； 博士北京大学生命科学学院学生陈文谦、马元熙、毕业生王吉龙博士、北京大学现代农业学院杨建国研究员、印第安纳大学医学院严达来博士参加部分活动的研究工作。 该研究得到了国家自然科学国际合作重点基金、科技部国家重点研发计划、北京大学学生科启东创新基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。

研究组简介

王一平：

北京大学生命科学学院教授、博士生导师。

实验室研究领域：

多年来，该实验室的工作得到了国际同行的认可。 主要得到国家自然科学基金、科技部“863”、“973”项目基金、国家教育部基金、中法高级合作项目、人力等项目的资助。 主要工作包括：大肠杆菌及相关细菌中的基因调控网络，特别是碳代谢和氮代谢的调控耦合； 大肠杆菌及相关细菌的基因调控机制； 植物-微生物相互作用科学研究的分子生物学和功能基因组； 生物修复领域的研究（功能基因的分离）； 合成生物学和生物固氮； 主要成果包括发现了碳代谢和氮代谢在原核基因表达调控中新的耦合效应和分子机制；大肠杆菌等的定量生物学研究。 发现DNA的物理性质参与基因表达的调控（该成果被国际知名学术网站1000推荐）； 提出了激活蛋白-启动子DNA-σ54-RNA聚合酶形成的激活复合物的“三明治”结构模型（该结果被国际知名学术网站1000推荐；采用合成生物学方法，我们用T7 RNA聚合酶表达该系统取代了原有的σ54 RNA聚合酶对固氮基因簇转录调控的作用，绕过了原有固氮基因簇对转录调控系统中14个调控蛋白的依赖，最终实现了固氮基因的转移为真核系统奠定了坚实的基础；以肺炎克雷伯菌钼铁固氮基因簇为基础，在大肠杆菌中成功构建了铁铁杂合固氮酶系统，从而成功构建了铁铁杂合酶。不损失酶活性的固氮酶系统，仅包含 10 个结构基因的最小铁-铁固氮酶系统（Yang et al. 2014 年，美国国家科学院院刊）； 证明源自植物叶绿体和根白体的电子传递链模块可以在功能上替代钼-铁和铁-铁固氮酶系统。 负责电子转移的原始模块提供了底物还原所需的还原力（Yang and Xie et al. 2017，PNAS。该论文被PNAS杂志推荐为“From the cover”封面文章）； 而极其复杂的钼铁固氮酶系统需要十几个甚至几十个基因的协调表达，被简化为五个编码的巨型基因，并证明其高活性可以支持以氮为基础的大肠杆菌的生长。唯一的氮源（Yang和Xie等人。2018，PNAS。该论文被PNAS杂志推荐为“From the cover”封面文章）。 上述研究具有里程碑意义，为最终将固氮基因转移到真核系统奠定了坚实的基础。

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