中国农大王涛团队:质谱助力探索豆科植物结瘤固氮秘密

2018年8月09日 14:03:58 来源: 分析测试百科
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  分析测试百科网讯 今年2月,国际植物科学期刊《Plant Physiology》上在线发表了一篇题为“The MtDMI2-MtPUB2 negative feedback loop plays a role in nodulation homeostasis”的学术论文,中国农业大学农业生物技术国家重点实验室王涛教授和董江丽教授的研究团队首次揭示了豆科植物与根瘤菌在共生结瘤过程中是如何通过结瘤受体激酶和E3泛素连接酶来调控结瘤平衡、控制结瘤数目的分子机制;而在去年7月,该团队曾在国际植物科学顶级期刊《The Plant Cell》发表了关于植物应答干旱胁迫的分子机制研究突破的论文。为此,分析测试百科网采访到中国农业大学农业生物技术国家重点实验室教授王涛的科研团队,探索豆科植物结瘤固氮新思路。

中国农业大学农业生物技术国家重点实验室王涛教授和董江丽教授研究团队

国家级重点实验室 前沿性研究成果

  中国农业大学农业生物技术国家重点实验室是一个以应用基础科学研究为主,并承担高层次人才培养任务的农业生物技术领域综合性国家级开放实验室。依托“生物化学与分子生物学”、“微生物学”、“作物遗传育种学”、“植物病理学”、“基础兽医学”、“预防兽医学”等6个国家级重点学科,共分“作物分子遗传与基因工程”、“动物基因组学与基因工程”、“分子病毒学与免疫工程”和“农业微生物与基因工程”四个研究领域,承担“973”、“863”、国家自然科学基金、国家转基因专项等国家重大/重点课题,已成为我国农业生物技术研发的主要基地。

  董江丽说:“我们课题组的研究方向是植物分子生物学,主要是豆科植物功能基因组的研究、分子设计育种、苜蓿根瘤菌共生固氮、苜蓿耐盐抗旱抗冷机制研究等,现有教授两名,硕士博士18名,基本上都是硕博连读。我们的课题都是国家级重点项目,包括‘863’,973重点项目,国家自然科学基金重点项目等。”

  “这次我们在《Plant Physiology》发表的研究是很有创新性、前沿性的项目。固氮是生物学界的重大问题,科学家的终极目标就是使得更多的作物能固氮,这样就不用使用大量的尿素化肥。”董江丽表示:“在土壤缺氮的情况下,豆科植物会与根瘤菌共生,根瘤菌把氮气固定成氨,这样豆科植物就能在缺氮情况下生长得很好。固氮与植物生长的碳氮平衡是一致的,不能消耗太多能量结瘤固氮,那样会影响植物生长,这中间需要一个平衡来维持,所以我们整个文章就是研究共生固氮内部的平衡。”

  “在《The Plant Cell》发表的是关于植物面对干旱胁迫时如何发挥抗旱作用的研究,当遇到干旱,植物细胞会通过一系列信号系统激活转录因子,在细胞核中启动抗旱基因的表达。但是我们发现的NAC转录因子通过脂肪链锚定在细胞膜上,当干旱信号到来,硫酯酶对脂肪链进行切割,让它进入细胞核。锚定在质膜上的NAC转录因子相当于后备军。一般情况下,信号系统激活,细胞核内的转录因子在前面冲锋陷阵,但是当干旱严重时,锚定在质膜上的NAC转录因子这个后备军也要上阵了。这个机制是在植物中首次发现的。”

  董江丽强调:“在这些研究课题中,我非常感谢SCIEX公司,他们发现了PUB2蛋白的3个关键磷酸化位点,我们进一步实验验证发现结果十分准确。SCIEX的技术专家经常与我们的学生分析实验数据。对学生来说,找错一个位点要耽误一两年,毕业也要延长一年了。”

中国农业大学农业生物技术国家重点实验室教授王涛(左二)、教授董江丽(右二),博士生邓杰(左一),博士生祝富贵(右一)

结瘤固氮,从豆科植物到禾本科植物

  谈及为何会开展豆科植物结瘤平衡的研究项目,董江丽表示:“固氮研究是植物界非常重大的课题。固氮就是把大气中的氮气转化成氨,再形成氨基酸,减少了氮肥的使用,这是减量化施用氮肥的有效途径。豆科植物和其他植物相比最大的特点就是能够共生固氮,而我们的终极目标就是能够让其他的禾本科植物也能够固氮,这也是该领域科学家的目标。”

  禾本科植物是指玉米、大麦、水稻、高粱、甘蔗等植物,因为不能自身固氮,所以需要大量的氮肥,尤其在土壤缺氮的情况下,而氮肥施用不当会对环境造成污染。目前农业上有轮作制度,即先种禾本科植物,再种豆科植物,之后再种禾本科植物,如此循环,这样也能让土地变得肥沃。

  董江丽说:“目前根瘤菌和豆科植物的关系是千百万年来共生形成的,从进化角度而言,这可能是低氮环境下豆科植物和根瘤菌协同进化的结果,使得豆科植物和根瘤菌形成了共生关系。禾本科植物和根瘤菌不能共生固氮,如何把共生固氮的机理应用到禾本科植物是很多科学家的梦想。”

  就《Plant Physiology》研究进展,董江丽强调,“这项研究最大的亮点是从时序性上解析了两个蛋白磷酸化和泛素化的关系”,“蛋白质的磷酸化泛素化会形成一个负反馈环,如果放在时空角度来看,会发现它并不是一个环,是有时序性的。在接种根瘤菌早期,DMI2磷酸化MtPUB2的第316位丝氨酸,导致其泛素化功能丧失,DMI2积累,传递结瘤信号;当传递完结瘤信号后,DMI2磷酸化MtPUB2的第421位丝氨酸,激活PUB2的泛素化活性,泛素化降解DMI2。这一过程是非常耗能的,植物只有在缺氮的时候才会结瘤固氮。”

  王涛强调:“我们实验室的主要方向之一是豆科植物的结瘤固氮,这是全世界最大的生物学问题之一。我国在大豆方面的技术研究(包括结瘤固氮方面),与发达国家(如美国、欧洲、日本)相比都有差距。这是生物学大问题,也是国际竞争的前沿热点问题,我们也在探索,谁在主导植物结瘤,结瘤的逻辑是什么,我们一直在思考这个问题。我们要认知生命科学的基本规律和逻辑,要建立科学的世界观和方法论。方法论需要将生物学基础知识,时序性和数学建模等学科交叉,提出一些假说需要一些证据来证实这个规律。建立逻辑关系,然后去验证这个关系。”

抗旱,从黄花苜蓿到紫花苜蓿

  谈到紫花苜蓿的研究,董江丽表示:“紫花苜蓿是牧草之王,蛋白质含量高、纤维素高、营养好,所有的牛都爱吃。但是,紫花苜蓿的种子资源牢牢地把控在美国人手里,种子和苜蓿干草国内大多依赖进口。我国育成的紫花苜蓿品种和国外相比,品质产量还有较大的差距,差距大是我们科技创新的动力,我们实验室很早就瞄准了苜蓿科技的前沿研究。”

  “我们发表在《The Plant Cell》的文章研究的是从抗旱的黄花苜蓿中分离的锚定在细胞膜上的NAC转录因子在干旱胁迫下的工作机制,这一研究成果为紫花苜蓿抗旱育种提供了新思路。因为前人将一些定位在细胞核的转录因子,直接在植物中过表达,常常会导致下游基因的持续激活。也就是说即使外界环境没有干旱胁迫,下游基因也能被持续激活,这样植物的生长发育就会受到影响。当我们把从黄花苜蓿中分离的锚定在细胞膜上的NAC转录因子转给紫花苜蓿之后,只有干旱胁迫的时候NAC转录因子才进入细胞核激活下游基因表达,正常条件下对生长没有影响。所以说,基础研究是为应用研究服务的。”

实验室的紫花苜蓿样本

SCIEX质谱助力研究 交叉学科推动技术发展

  在豆科植物与根瘤菌共生结瘤的研究中,课题组与SCIEX公司密切合作,利用LC-MS/MS技术寻找MtDMI2磷酸化MtPUB2的关键位点。在SCIEX公司技术人员的帮助下,确定了MtPUB2蛋白的Ser316,Ser421和Thr488等三个磷酸化位点在结瘤过程中具有重要的调控作用。

  中国农业大学2012级直博生祝富贵说:“我很早就与SCIEX公司开始合作了,第一个项目是利用SCIEX公司的质谱帮助我们寻找激酶的磷酸化底物位点,最后在1000多个磷酸化肽段中发现了激酶的关键磷酸化底物位点。后续其它项目还有应用AP-SWATH等技术,用于高通量的互作蛋白分析,后续数据正在整理中。”

  SCIEX市场开发经理李春波说:“在这次合作中,使用的是我们的TripleTOF 5600+高分辨质谱。在生命科学研究领域,已经有越来越多的科学家将SCIEX的质谱分析技术应用于他们的科学研究,并获得了巨大的研究进展。”

  王涛表示:“仪器工具能够给我们解决一些方法,形成重要的逻辑,质谱提供能够符合我们假设的基本逻辑,这样才能继续往下推动。做学问需要一个假设,是未知的。假设以后逻辑要怎么建立,那就需要质谱给我们提供逻辑的起点,这是非常重要的。”

  “现代生物学的重大进展都是在仪器的助力下实现的。特别是研究大分子技术,包括蛋白质。近10年的SCI文章中就可以发现,很多研究都是依赖于包括质谱、光学和信息技术等去实现的。”王涛介绍道:“细胞是一个非常精密工作的机器,具有非常繁杂有序的交通系统、运输系统、能量交流系统。这些系统的发现,没有先进仪器的支持是不可能的。生命科学与其他学科交叉的成果,生命科学要发展,务必要和物理、化学、光学热力学、新材料学等相结合。换个角度来说,先进的仪器也是与生命科学交叉融合的一个产物。所以,习总书记在北大讲话里特别提到要发展交叉学科。所有学科的交叉才能推动科学的进步,才能产生新的动能,新的力量。历史证明,任何一个学科都是不可能单独解决问题的,包括仪器设备。生物物理学基本上用物理学的设备来解读生物学的问题,化学生物学使用化学的设备来解读生物学的问题,所以我们认为生命科学会不断得到发展的力量。这也是学科之间不断交叉融合的结果。”

继续提升仪器精度 早日实现缸里捞“针”

  “我们知道生物结构、生命本质实际上是非常复杂的。比如植物蛋白,可能白天一个样,晚上一个样,还有大的数据量和小的数据量。今后,希望仪器应用能够和生物规律真正结合,提高研究精度,这是非常重要的。我们希望仪器厂商能够给我们提供更精准的技术支持,这也是很多用户共同的需求。”王涛表示:“老话说得好,大海里捞针是不可能的。现在,我们也像是在海里捞针,但实际上经过努力是能摸得到的。但我们更希望能在一个小缸里、小碗里摸针。作为一个学者而言,这是我对技术的期盼。”

  王涛说:“生命是未知的,生命的本质我们知道的很少,我们对生命的认知也是很少的。几万个蛋白质分子在里边不断转变,物质流、信息流、能量流等等,生命太伟大了,而我们知道的还太少。我们希望仪器厂商能提供技术支持,能够让我们在小缸里边摸针,那这个技术就很了不起了。这不光是对SCIEX公司而言,也是全世界的仪器设备厂商努力的方向。”

  “生命研究的本质在于发现,发现需要工具的支持。生命科学的进步很多时候依赖于发现的技术,如质谱技术、光学技术。很多技术在生物学上得到了深入的应用。过去我们对于细胞、蛋白质的认识只是结构性的认知,但是真正认知蛋白质的结构关系,还有很远的路程。生命本质上是一个蛋白质系统,解析蛋白质系统也是我们研究的一个方向。技术的发展能很好地推动我们发现的速度和发现的能力。”

  王涛简介:

  中国农业大学农业生物技术国家重点实验室教授,博士生导师。中国农业大学副校长,北京市农学会副会长,第五届农业转基因生物安全委员会委员。担任国家科技部“十三五”农业农村科技规划组组长。现承担科技部战略研究课题《科技支撑乡村振兴战略研究》。长期承担国家科技部、农业部科技政策、战略规划研究任务,1996年以来,作为主要完成人,先后参加了农业部重点学科建设规划、农业部重点实验室建设规划、国家生物技术发展纲要、国家转基因专项设计、国家粮食丰产工程设计、国家农业“863”技术设计规划、国家农业科技创新体系建设等研究工作,为国家农业农村科技工作做出了重要贡献。

  董江丽简介:

  中国农业大学农业生物技术国家重点实验室教授,博士生导师。主要研究领域是豆科功能基因组研究和分子设计育种,具体研究方向:1、苜蓿抗逆分子机制研究;2、苜蓿-根瘤菌共生固氮调控机制研究;3、分子育种技术创新和新品种培育。研究团队近年来主持完成多项国家自然基金重点项目、面上项目、国家863计划重点项目和国家转基因植物研究与产业化专项课题。研究团队搭建了完整的豆科植物基因组学、蛋白组学、功能基因组研究、TALEN和CRISPR-cas9突变体研究、分子设计育种技术平台。相关研究成果在全国居于领先水平。研究团队在植物学期刊发表SCI论文30多篇,授权发明专利18项。

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