当下，人们往往施用氮肥来提高农作物产量。我国氮肥利用率仅为30%左右，而且化学生产氮肥需要耗费大量的能量。
豆科植物已经存在了数千万年，我国周朝的学者就注意到了它对农业的重要性。作为世界三大粮食作物之一，大多豆科植物能形成高效的“固氮工厂”，将空气中的氮气转变成植物可利用的氨，是潜在的新型氮肥来源。
2021年10月29日，国际学术期刊《科学》在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心杰睿（Jeremy Dale Murray）研究组与合作团队完成的研究论文，他们阐述了豆科植物“固氮”的新调控机制。这有助于水稻和玉米等非豆科植物实现自主固氮的研究，进而降低氮肥的使用，对于节约农业生产成本和生态环境保护具有重大意义。
【“根据DNA追溯该调控模式的前世今生”】
神奇的大自然有天然的生物固氮系统——土壤中的固氮菌，大多豆科植物能与其建立共生关系，形成天然、高效的“固氮工厂”——根瘤。
根瘤中含有大量的固氮工具，能够将空气中的氮气转变成植物可利用的氨。为了提高根瘤菌的固氮能力，豆科植物会产生大量豆血红蛋白来紧密结合根瘤中的氧气，进而有效提高“固氮工厂”的工作效率，但一直以来豆科植物如何调控豆血红蛋白基因的表达尚不清楚。
杰睿在介绍研究成果。黄海华摄
“每棵植物的历史都镌刻在其DNA中，我们则根据其DNA追溯到该调控模式的前世今生。”杰睿说。
NLP家族是植物特有的一类转录因子，参与调节植物氮代谢过程。研究团队发现，NLP家族中的两个成员NLP2和NIN在根瘤中具有“高人一等”的表达量。“有意思的是，我们在对NLP2突变体根瘤进行分析时，意外地发现当植物缺少了NLP2后，豆血红蛋白基因的表达也受到了影响，同时根瘤的固氮能力下降。”
该团队进一步揭示了NLP家族成员NIN和NLP2通过直接结合特殊的“硝酸盐响应元件”，来激活根瘤中豆血红蛋白基因的表达，平衡固氮所必需的氧气微环境。
该研究首次发现豆科植物中NLP家族直接调控豆血红蛋白表达，揭示了豆科植物如何建造“固氮工厂”的分子机制，为提高豆科植物的固氮能力提供了理论支撑。
【“我在上海的研究组规模比之前的都大”】
杰睿是一名来自加拿大的外籍科学家，如今他是中国科学院分子植物科学卓越创新中心的一名全职研究员。像他一样的外籍全职科学家，在分子植物卓越中心还有6位，分别来自希腊、日本、韩国和西班牙。
为何选择了上海？杰睿说，之前他在英国约翰·英纳斯中心工作了7年之久，他的两位同事谢芳和王二涛，先后来到了分子植物卓越中心，并做出了出色的研究。“这个研究机构在国际上也是非常知名的，因此我想来中国看一看。”杰睿的妻子是一位中国人，这也坚定了他来到中国的决心。
如今，杰睿来到上海已经快3年了，尽管不会说中文，但他表示在这里工作很开心。分子植物卓越中心为他配备了科研“管家”，处理各种日常事务，这样他可以专注于自己的研究。“我在上海的研究组规模比之前的都大，许多想要做的研究都可以去探索。”
杰睿在上海的研究组
“能否把豆科植物固氮的基因，放到玉米、水稻等非豆科植物中去，是国际上的一个热点问题，比尔·盖茨在国外也资助了相关项目。”分子植物卓越中心副主任王佳伟说。
据介绍，分子植物卓越中心在这方面的研究具有“集群效应”，包括杰睿在内的3个研究组，其研究方向分别处于该领域的“上中下游”，已形成研究的“全链条”。“我国对植物科学研究的支持力度越来越大，相信会有更多高质量的产出。”
