近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)微生物國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室韓鶴友教授課題組在Environmental science-nano發(fā)表題為“Cobalt Ferrite Nanozyme for Efficient Symbiotic Nitrogen Fixation via Regulating Reactive Oxygen metabolism”的研究論文。該論文報(bào)道了一種具有抗氧化活性的鐵酸鈷納米酶（CoFe2O4-NPs），并深入解析了其在調(diào)控大豆共生固氮協(xié)同效應(yīng)的作用機(jī)制。
化學(xué)氮肥的施用，在補(bǔ)充作物氮素營養(yǎng)、提高作物產(chǎn)量、保障糧食安全方面發(fā)揮了巨大作用，但近年來，其與生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的矛盾日益凸顯。因此，尋求一種高效利用資源、環(huán)境友好的新氮素來源勢在必行。
生物固氮為全球植物提供75%的氮素，是生命科學(xué)中的重大基礎(chǔ)研究課題之一，在生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)揮著重要作用，它和光合作用被并稱為地球生命活動(dòng)的基石，為減少化學(xué)氮肥使用、緩解環(huán)境污染、保持生態(tài)平衡、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本提供了一種新的途徑。在自然界中，生物固氮是由固氮酶催化的，固氮酶是一種包含鐵-鉬輔助因子（FeMo）的酶復(fù)合物。其對活性氧（ROS）非常敏感，過量的ROS可使固氮酶不可逆地失活，因而ROS的合理調(diào)控在根瘤菌-豆科植物共生固氮效率中起著決定性的作用。
納米酶調(diào)控共生固氮示意圖
韓鶴友教授團(tuán)隊(duì)通過模擬構(gòu)建天然固氮體系，并引入功能性納米酶對比研究發(fā)現(xiàn)，CoFe2O4-NPs具有優(yōu)異的過氧化物酶活性（圖1）。通過在固氮體系中引入CoFe2O4-NPs納米酶，能夠有效緩解固氮過程產(chǎn)生的ROS對固氮酶的氧化脅迫，同時(shí)增加豆血紅蛋白的積累，為根瘤菌的寄生提供更優(yōu)越的環(huán)境，從而增加根瘤菌的寄生，最終實(shí)現(xiàn)固氮酶活性的顯著增加。
圖2. CoFe2O4-NPs納米酶的體外活性驗(yàn)證
該研究中，研究人員首先對CoFe2O4-NPs納米酶的體外活性進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在低濃度時(shí)，CoFe2O4-NPs表現(xiàn)出優(yōu)異的過氧化物酶活，擬合得到的米氏常數(shù)證實(shí)了其類酶活性，活性氧染色實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了其對ROS的清除能力（圖2）。
CoFe2O4納米酶對根瘤菌生物活性以及固氮相關(guān)基因表達(dá)中的影響
在通過顯微切片和細(xì)菌活力染色觀察以及透射電鏡切片時(shí)發(fā)現(xiàn)，CoFe2O4納米酶的引入明顯增加了根瘤菌的密度。進(jìn)一步通過檢測相關(guān)固氮功能基因（GmnifA, GmnifD, GmnifH, GmnifK）的表達(dá)分析，證實(shí)了根瘤菌在CoFe2O4-NPs處理?xiàng)l件下相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)（圖3）。
CoFe2O4-NPs納米酶對ROS含量的影響
研究人員還在大豆的根瘤發(fā)育期，對根瘤的二分之一切面進(jìn)行觀察和豆血紅蛋白定量分析，發(fā)現(xiàn)其豆血紅蛋白積累量明顯增加；在對根瘤ROS的原位和定量分析中發(fā)現(xiàn)暴露于CoFe2O4-NPs中的含量明顯降低（圖4）。本研究是繼課題組碳基納米酶促進(jìn)豆科植物共生固氮研究的又一新進(jìn)展（Nanoscale, 2017; 9: 9921-9937），為促進(jìn)豆科植物結(jié)瘤提供了新思路，進(jìn)一步拓寬了納米酶在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
我校理學(xué)院博士研究生馬駿、宋智勇副教授為論文共同第一作者，韓鶴友教授為論文通訊作者，植物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院王幼寧副教授也參與該研究。該研究得到國家自然科學(xué)基金等資助。
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