1、Chapter 32 Nitrogen Fixation,Copyright 2005 by Ouyang Hongsheng. All rights reserved.,第三十二章 生物固氮,欧阳红生动物生物技术系吉林大学畜牧兽医学院Email:Tel:0431-7836175,主要内容： 生物固氮作用及其类型；固氮酶的结构与功能；固氮的基因表达调控及生物固氮的基因工程,生物固氮的概念和研究历史生物固氮 微生物将分子氮转化为含氮化合物的过程称为生物固氮。生物固氮的研究领域：生物固氮机制、共生固氮机制、固氮分子遗传及固氮微生物等等。从1862年发现生物固氮现象到目前为止，生物固氮机制研究大致分
2、为三个时期。第一个时期,1862年到1960年 细胞水平时期第二个时期,1960年到1966年 无细胞水平时期第三个时期,1966年到目前 分子水平时期,一、生物固氮作用及固氮生物类型,氮是构成蛋白质和核酸的重要元素，是农作物生长发育的不可缺少的三个要素之一。全球每年生物固定氮量约为2108t（折合尿素约4108t多) ，其中由植物根瘤菌所固定的氮约占1.5108t,为宿主植物提供了大量氮肥。生物固氮由某些原核生物将大气中的氮固定成氨。固氮菌有共生固氮菌和自生固氮菌两种，以前者固氮能力为主。,一、生物固氮作用及固氮生物类型,固氮作用过程是地球上氮循环的一个重要部分固氮的目标：提高现有固氮生物的
3、固氮能力提高优质高效的微生物肥料，为农业开发肥源用分子生物学等方法促使不固氮生物固氮人工模似固氮酶在常温常压下还原分子氮，使氮肥的工业生产有一个历史性突破。,一、生物固氮作用及固氮生物类型,(一)根瘤菌与豆科植物根的共生根瘤菌种群：苜蓿群、车轴草群、豌豆群、菜豆群、羽扁豆群及大豆群根瘤豆血红蛋白非豆科植物也存在共生固氮,红色为固氮菌类菌体，蓝色为类菌体周膜，黄色和绿色为被感染细胞的细胞核。,一、生物固氮作用及固氮生物类型,(二)自生固氮微生物自生固氮 指微生物自由生活进行固氮自生固氮细菌 好氧的固氮菌属(如巴氏梭菌)、兼性厌氧的克氏杆菌属和芽孢杆菌属、能进行光合作用的红螺菌属和红硫细菌属。自生
4、固氮蓝藻 一千余种蓝藻中，有固氮能力的不过20余种。都含有叶绿素，能进行光合作用。,二、固氮酶的结构与功能研究,固氮酶复合体 两种金属蛋白质构成固氮酶复合体:Fe-蛋白(Fe-Protein)或固氮酶还原酶和Mo-Fe-蛋白(MoFe-Protein), MoFe-蛋白是固氮酶的另一个名称.固氮酶还原酶 是一种60-kD的同型二聚体,含有单4Fe-4S簇辅基。固氮酶还原酶在固氮过程中结合MgATP，每转运一个电子水解两分子ATP。固氮酶 MoFe蛋白是分子量为240kD，由22构成的异源四聚体。 二聚体为功能单位，每个二聚体含两类金属中心,一种是不常见的Fe8S7中心，名为P-簇(P-Clus
5、ter)，另一种是常见的MoFe7S9簇,称为FeMo-辅助因子(FeMo-cofactor)。,从固氮酶发现的两种金属簇: (a) P-簇,2个Fe4S3串共用第四个硫，并以二硫键与蛋白质相连。 (b) FeMo辅因子，这一新的Fe-S复合物含有1个Mo，7个Fe和9个S，通过Mo和Fe与蛋白质相连。,二、固氮酶的结构与功能研究,固氮酶还原酶( Fe-蛋白) ATP结合位点在左侧（此处为ADP），Fe4S4簇在右侧。,二、固氮酶的结构与功能研究,固氮酶还原酶和固氮酶 二聚体形成的复合体模型图中固氮酶还原酶为绿色和黄色。Fe4S4中心与固氮酶 二聚体最近固氮酶 二聚体红色和蓝色位于固氮酶还原酶的右侧，含eMo辅助因子和-簇。,三、固氮的基因表达调控,(一)自生固氮(二)共生固氮1.根瘤菌基因(1)结瘤基因(2)结瘤基因的调节基因(3)固氮基因2.豆科植物基因(1)早期结瘤素基因(2)晚期结瘤素基因,四、生物固氮的基因工程,(一)使非豆科植物转变为固氮作物(二)提高现有固氮作物的固氮能力1.将固氮效率高的大豆根瘤菌的固氮基因导入高结瘤基因能力的大豆根瘤菌中2.将外源共生基因导入豆科作物根瘤菌，提高其结瘤或固氮能力3.培育具抗药基因的根瘤菌,
