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我国科学家揭示一个新型非编码RNA的固氮调控和协同进化机制
文章来源:国家自然科学基金委员会       更新时间:2016年08月04日

美国科学院院刊(PNAS)于2016年7月12日在线发表了中国农业科学院生物技术研究所林敏研究团队的最新研究成果 “The novel regulatory ncRNA, NfiS, optimizes nitrogen fixation via base pairing with the nitrogenase gene nifK mRNA in Pseudomonas stutzeri A1501”(施氏假单胞菌新型调控非编码RNA NfiS通过配对结合固氮酶基因nifK mRNA优化固氮作用)。论文链接:http://www.pnas.org/content/early/2016/07/11/1604514113。中国农业科学院生物技术所微生物功能基因组团队战嵛华和燕永亮博士为该论文共同第一作者,林敏研究员为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金项目(项目批准号:31230004, 31470205和31470174)的资助。

  联合固氮研究始于上世纪七十年代初,在非豆科作物特别是在水稻和玉米等粮食作物上显示出巨大的应用潜力,已成为生物固氮领域的前沿和发展方向之一。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。

  林敏团队研究发现,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。非编码调控因子NfiS为施氏假单胞菌所特有,其表达受渗透胁迫和固氮条件诱导,被一般氮代谢调节因子RpoN和NtrC激活。该基因具有全局性的正调节功能,其缺失突变导致胁迫抗性和固氮能力显著下降,而过量表达则增强抗逆和固氮表型。二级结构预测和互补试验表明,NfiS的特定颈环结构参与最佳固氮酶活的调节。分子生物学证据进一步证明,NfiS特定颈环结构上的11碱基序列与固氮酶基因nifK mRNA的相应序列配对结合,增强其稳定性或翻译活性,进而确保高效的固氮能力(图1)。研究人员对固氮和非固氮施氏假单胞菌的NfiS结构和功能比较分析表明,在固氮施氏假单胞菌进化过程中,固氮酶基因nifK招募了感受逆境信号的非编码调控因子NfiS,后者经过长期的协同进化,获得了感应固氮条件信号和高效精细调控固氮的能力。该研究进一步揭示了固氮施氏假单胞菌演变过程中的两次重要进化事件:(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在抗逆与固氮途径间建立了一种确保高效固氮的新的偶联调控机制,是目前报道的第一个直接参与固氮调控的非编码RNA。这种由非编码RNA介导的偶联调控机制可能广泛存在于根际联合固氮菌之中,因此,该研究为进一步揭示生物固氮的协同进化和网络调控机制奠定了重要的理论基础。同时,NfiS有望成为一个新的生物固氮智能调控候选元件,其特定颈环结构的解析及其与目标mRNA配对序列的优化,将为人工设计新型高效联合固氮工程菌提供一个新途径(图2),对于大幅度提高田间联合固氮效率,实现非豆科农作物节肥稳产增效具有重要的理论指导意义。

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